Fysikere binder knuder på vand

Måske husker du, hvordan du som barn baksede med at lære at binde dine første snørebånd?

Fysikere har længe kæmpet med et lignende, men dog langt mere kompliceret problem:

At få strømhvirvler til at slå knude på sig selv.

At strømhvirvler slår knuder har kun været en teori

Strømhvirvler er et fænomen, der f.eks. opstår i tornadoer, eller når man rører rundt i en gryde med vand.

Forskerne har længe ment, at det er en naturlig forekomst, at strømhvirvlerne slår knuder på sig selv. Det sker f.eks. i Solens ydre atmosfære, koronaen.

I årevis har forskerne forgæves forsøgt at få strømhvirvlerne til at slå knuder i laboratoriet, fordi de håber, at en nærmere forståelse af fænomenet måske kan give svar på andre spørgsmål, f.eks. om universets opbygning.

Nu er det omsider lykkedes to fysikere, William Irvine og Dustin Kleckner fra University of Chicago, at løse gåden ved hjælp af en vandtank og en 3D-printer. Det banebrydende resultat er publiceret i tidsskriftet Nature Physics.

Delfiners bobler førte til gennembruddet

William Irvine havde først forsøgt sig med at få røgringe til at slå knuder, men uden held.

Gennembruddet kom, efter at han havde set en video med delfiner, der legede med ringe af bobler under vand.

Synet inspirerede ham til at flytte eksperimentet med strømhvirvlerne ned i det våde element, hvor det altså lykkedes ham og og kollegaen Dustin Kleckner at skabe en slags avancerede, 'våde' røgringe.

I videoen ovenfor kan du se, hvordan forskerne bar sig ad med det.

Knuderne opløser sig selv

Det helt store spørgsmål var, hvordan knuderne ville opføre sig, og hvad der ville ske med strømhvirvlerne, over tid – noget som forskere inden for en gren af matematikken ved navn 'topologi' beskæftiger sig med (se billedtekst og faktaboks).

Ifølge en matematisk teori, som blev fremført tilbage i 1867 af William Thompson, bedre kendt som Lord Kelvin, ville hvirvelstrømmene slå knuder på sig selv og dermed i princippet kunne bestå til evig tid.

Men William Irvine og Dustin Kleckner kunne se i deres forsøg, at knuderne ikke bestod, men derimod opløste hinanden.

I videoen er det tydeligt, at hvirvelstrømmene snurrer rundt om deres egen akse og filtrer sig sammen, hvorefter de opløser hinanden.

Det hele foregår i løbet af et par hundrede millisekunder, så strømhvirvlerne er kun synlige, fordi forskerne brugte et højhastighedskamera og luftbobler, der gør strukturerne synlige.

Resultatet giver forståelse for kvantemekanikken

Det bogstaveligt talt indviklede resultat kan få betydning inden for mange områder af fysikken. Bl.a. når forskerne skal forstå fænomener som turbulens.

De nye resultater er desuden yderst interessante i forhold til den mikroskopiske verden, hvor den klassiske fysik bryder sammen og skal erstattes af kvantemekanikken. Det oplyser postdoc ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, Nikolaj Thomas Zinner, der blogger om fysik på Videnskab.dk.

»Jeg arbejder meget med spørgsmål i kvantemekanik, som går ud på at afgøre, hvorvidt to eller flere atomer kan binde sig til hinanden og danne interessante molekyler,« fortæller Nikolaj Thomas Zinner.

»For nylig har vi i samarbejde med en norsk matematiker anvendt knudeteori til at undersøge, om man kan danne bundne kvantemekaniske tilstande, som har samme struktur som f.eks. trekløverknuden eller endnu mere avancerede knuder,« siger han.

Sidst, men ikke mindst kan forskerne bruge de nye resultater til at undersøge nærmere, om magnetfelterne rundt om Jorden og Solen kan lave lignende knuder, og om disse processer kan være med til at forklare, hvordan energi bliver flyttet rundt på Solen.