물리학자들이 난류 속 에너지가 흐르는 방향을 뒤집어 80년 된 규칙을 구부렸다

소용돌이치는 얇은 물의 층에서 물리학자들은 에너지를 거꾸로 흐르게 만들었다. 점점 작아지는 소용돌이로 내려가는 폭포가 되지도, 점점 커지는 소용돌이로 올라가지도 않고, 흐름은 연구진이 고른 대로 움직였다. 그것을 휘젓는 힘을 어떻게 배치했느냐에 달려 있었다. 이 결과는 팔십 년 넘게 유체 물리학을 빚어 온 가정에 도전한다.

팔십 년 넘게 난류의 통념은 한 방향 폭포였다. 강이나 열린 바다의 삼차원 흐름에서는 에너지가 큰 소용돌이에서 작은 소용돌이로 꾸준히 내려가, 마침내 열로 흩어진다고 여겨졌다. 얇은, 거의 이차원인 층에서는 이 폭포가 뒤집혀 작은 소용돌이가 큰 소용돌이를 먹여 살린다고 믿었다. 어느 쪽이든 방향은 유체가 깃든 공간의 기하에 의해 고정된 것처럼 보였다.

새 연구는 그 방향을 흐름의 차원에서 떼어 낸다. 방향을 정하는 것은 유체의 각 점에서 두 양의 정렬이라고 연구진은 밝혔다. 유체를 짓누르는 응력과 그에 응답해 겪는 변형이다. 힘과 변위 사이의 각을 조정하면 에너지를 규모의 사다리 위로도, 아래로도 밀어 올릴 수 있다. 그릇의 모양은 더 이상 운명이 아니다.

이를 보이려고 연구진은 전기를 통하는 얕은 액체 층을 자기력으로 휘저었고, 추적용 입자를 뿌린 뒤 그 움직임을 촬영했다. 가하는 힘의 무늬를 다시 빚어, 같은 장치 안에서 에너지가 앞으로 전달되는 흐름과 거꾸로 전달되는 흐름을 모두 만들어 냈다. 같은 구성의 컴퓨터 시뮬레이션도 이 전환을 재현했는데, 놀라운 영상을 측정으로 바꾸는 것이 바로 이런 일치다.

폭포를 제어하는 일에는 현실적 사정거리가 있다. 유체에서 에너지가 흐르는 방향은 그 안에서 물질이 어떻게 퍼지는지를 좌우하므로, 그것을 몰 수 있다면 해안이 하수 기둥을 어떻게 흩뜨리는지, 미세유체 칩이 의료 검사를 위해 아주 작은 부피를 어떻게 섞는지, 또는 기후 모형이 붙잡으려는 층상 흐름 속에서 에너지가 어떻게 움직이는지를 바꿀 수 있을지 모른다.

이 시연은 폭풍이나 심해 해류의 어지러운 삼차원 난류가 아니라, 세심하게 통제된, 본질적으로 이차원인 계 안에 산다. 방향에 대한 같은 통제가 완전한 삼차원의 고에너지 흐름에서도 살아남는지는 열린 물음이며, 실험실 쟁반에서 대양으로 가는 도약은 크다. 원리는 이제 확립되었다. 그 사정거리는 아직 아니다.

이 연구는 피츠버그 대학교가 이끄는 연구진이 토리노 대학교와 협력해 수행했고, 학술지 사이언스 어드밴시스에 실렸다. 연구진의 다음 단계는 흐름이 더 두껍고 에너지가 더 커질 때 텐서 정렬을 통한 제어가 어디까지 미치는지를 시험하는 것이다. 실제 난류의 대부분이 정작 깃들어 사는 곳이 바로 그 영역이다.

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