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斯温尼当时正在做实验研究物质的性质。对他来说，转折点出现在他在美国约翰斯·霍普金斯大学攻读研究生的时候。在当时，粒子物理学如日中天。传奇的默里·盖尔曼曾来学校做过一次讲座，斯温尼也深受吸引。但当他决定看一下这个方向上的研究生在做什么时，他发现他们都在编写计算机程序或焊接火花室。正是在那之后，他开始跟随一位老一辈的物理学家研究相变——物质从固体到液体，从非磁体到磁体，从正常导体到超导体的转变。没过多久，斯温尼拥有了一个空房间——比一个储物间大不了多少，但毕竟只属于他一个人。他找来一本产品目录，开始订购仪器。很快，他有了一张桌子、一部激光器、一些冷冻设备以及一些探针。他设计了一个装置来测量二氧化碳在气–液临界点附近的导热性如何。当时的大多数人认为，届时导热性只会稍微变化。但斯温尼发现，它改变了一千倍。这着实令人激动——一个人在一个小隔间里发现了某个其他人都不知道的事情。他也观察到了这种气体（事实上，任何气体）在临界点附近时所散发的柔和光芒，即所谓的“临界乳光”——由于光的散射，物质看上去是乳白色的。
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很像混沌现象，相变也涉及一类看上去难以通过观察微观细节而加以预测的宏观行为。固体受热，温度升高，分子振动加剧。它们所占据的空间也随之扩张，迫使物质膨胀。受热越多，物质就越膨胀。但在来到一个特定温度和压力时，突变发生，变化变得不连续。就好像一根绳子原来一直在被拉长，现在它一断为二。晶体结构解体，分子相互错落。它们现在遵循流体的运动定律，一点儿也不像原来固态时的样子。分子的平均能量没什么改变，但物质（现在是一种液体、一种磁体或一种超导体）已经进入一个新领域。
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美国 AT&T 贝尔实验室的冈特·阿勒斯研究过液氦中所谓的超流体相变——随着温度降低，液体会变成某种神奇的、随心所欲流动的超流体，完全缺乏黏性或摩擦力。其他人研究过超导性。斯温尼还研究过在液态与气态的临界点附近的行为。到了 20 世纪 70 年代中期，斯温尼、阿勒斯、皮埃尔·贝尔热、杰里·戈勒布、马尔齐奥·吉利奥——这些来自美国、法国和意大利的实验科学家（他们都来自这个探索相变和临界现象的年轻传统），正在努力寻找新的课题。就好像一位邮差已经将自己派送区域的大街小巷了然于胸，他们也已经理解了物质在不同相态之间拐弯转向的独特路标。他们已经研究过物质在它上面将摇摇欲坠的那个悬崖边缘。
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相变研究的队伍长久以来借助了类比的指引：非磁体–磁体相变被证明类似于气–液相变，流体–超流体相变被证明就像导体–超导体相变。一个实验的数学可以被应用于其他许多实验。到了 20 世纪 70 年代，相变问题已经大体上得到了解决。现在，剩下的一个疑问是，相变理论可以推广到多远？世界上还有其他哪些改变，在经过仔细检视之后，也将被证明其实是相变？
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将相变理论应用于流体流，这个想法既不是特别有原创性，但也不是非常显而易见。它不是特别有原创性，因为伟大的流体力学先驱雷诺和瑞利及其在 20 世纪初的追随者早已注意到，一个精心控制的流体实验可以创造出一种运动的质变——换用数学用语来说，一种分岔。比如，在一个流体单元中，底部受热的液体会突然从静止变成运动。物理学家这时不禁会设想，这种分岔的物理性质可能类似于物质相变时的那种改变。
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但这个想法也不是非常显而易见，因为不像真正的相变，流体的这些分岔没有改变物质本身。相反，它们只是增添了一个新的元素：运动。静止的流体变成了流动的流体。这样一种改变的数学有什么理由应该对应于气体冷却变为液体时的数学呢？
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1973 年，斯温尼正在美国纽约市立学院教书。杰里·戈勒布，一位刚从哈佛大学毕业不久的博士，则正在哈弗福德学院教书。7 作为一所坐落在费城附近乡间的文理学院，哈弗福德学院看上去不太像一位物理学家的理想归宿。它只招收本科生，因而没有研究生来协助实验室的工作，来填补非常重要的导师–弟子合作关系中的底下一环。不过，戈勒布热爱教授本科生，并开始致力于将学院的物理系建成一个日后以高品质的实验研究而知名的学术重镇。在那一年，他学术休假一个学期，来到纽约，与斯温尼展开合作。
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7斯温尼，戈勒布。
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基于流体失稳可与相变相类比的设想，这两个人决定考察一个液体被限制在两个同心圆筒之间的经典系统。两个圆筒相对转动，带动它们之间的液体流动。整个系统将流体流限定在一定范围之内。因此，它限制了液体在空间中运动的可能性，从而不像开放空间中的喷射和尾流。同轴旋转圆筒系统会生成所谓的泰勒–库埃特流。通常，为便利起见，只有内筒旋转而外筒静止。随着内筒开始旋转，液体也随之平稳地开始流动，而随着转速提高，达到某个临界值，二次流动出现，导致失稳，然后最终进入一个新的稳定状态，形成一种精致的运动模式（或所谓斑图），有点儿像我们在加油服务站见到的轮胎层层堆叠在一起的样子：甜甜圈形状的涡旋出现在圆筒周围，一个叠在另一个上面，并且相邻涡旋的方向相反。这种现象已经得到很好的理解，G. I. 泰勒在 1923 年就见到并测量了它。
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同轴旋转圆筒之间的流体流
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两个圆筒之间的水流所形成的斑图让哈里·斯温尼和杰里·戈勒布得以一窥湍流是如何发生的。随着圆筒转速增加，斑图变得越来越复杂。一开始，水流形成一种独特的条形斑图，就好像一个个甜甜圈堆叠在一起。接着，这些甜甜圈开始晃荡变形，越来越紊乱。两位物理学家使用了激光来测量水流在每个新结构出现时的速度。
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为了研究泰勒–库埃特流，斯温尼和戈勒布建造了一个可放在桌面上的仪器：外层是一个玻璃圆筒，大小比装网球的球筒还细长一些，高约三十厘米，直径约五厘米；内层是一个居中摆放的不锈钢圆筒，其大小使得刚好留下三毫米的间隙来装水。“这是一个自力更生的故事，”弗里曼·戴森这样说道（他是在接下来几个月里一连串慕名来访的大人物之一），“你看这两位先生在基本上没有多少经费的情况下，在一个狭小的实验室里做出了一个绝对漂亮的实验。它标志着对于湍流的定量研究的开始。”8
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8戴森。
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这两人当时想做的是一个正经课题，而这样的工作原本会让他们得到一点儿学术认可，然后就会被人遗忘。斯温尼和戈勒布想要验证朗道的湍流发生理论。这两位实验科学家没有理由怀疑这个理论。他们知道，当时的流体力学家都相信朗道所描绘的图景。作为物理学家，他们也喜欢它，因为它契合相变的一般理论，并且朗道本人还曾经为研究相变给出了最可行的早期研究框架，后者是基于他自己的一个洞见，即这些现象可能遵循某种一般规律，在不同物质所展现的不同个性之上终究存在某些共性。之前在研究二氧化碳的气–液临界点时，哈里·斯温尼就秉承了朗道的这个信念，认为自己的发现可以转而应用于氙气的气–液临界点——它们也确实如此。那么为什么湍流不能被证明是一种运动流体中相互冲突的节律持续叠加的结果呢？
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斯温尼和戈勒布准备将多年来在最精细的条件下研究相变所积累的精密实验技术运用到研究多变的运动流体上面。他们采用的实验方式和测量设备是流体力学家从来不曾设想过的。为了探测水流的流速，他们使用了激光。光线会为水中的悬浮颗粒所偏转或散射，而这可通过一种称为激光多普勒干涉测量术的技术加以测量。获得的大量数据然后会由计算机加以存储和处理——在 1975 年，这种设备在这样的桌面式实验中是不多见的。
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朗道说过，随着流速增加，新的频率会逐个出现，构成一个序列。“看到他这样说，”斯温尼回忆道，“我们就说，好吧，让我们来看看这些频率加入进来时流态的转捩。我们看了，并且很确定这当中存在一个定义非常良好的转捩。我们来回考察了这个转捩，将圆筒的转速调来调去。它确实定义非常良好。”9
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9斯温尼。
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当他们开始准备报告他们的结论时，斯温尼和戈勒布遇上了一个学科分界的问题：这属于物理学，还是流体力学？10 这样的分界有着某些现实的影响。特别是，它决定了将由美国国家科学基金会里的哪个机构审查他们的资助申请。等到 20 世纪 80 年代，一个研究泰勒–库埃特流的实验将再次属于物理学，但在 1973 年，它还属于流体力学；而在那些熟谙流体力学的人看来，从纽约市立学院这个小小的实验室里得出的头一批数据干净得令人生疑。流体力学家根本不会相信它们。他们还不习惯于以相变物理学的精确方式进行的实验。此外，从流体力学的角度看来，也很难看出这样一个实验的理论意义。当斯温尼和戈勒布接下去试图获得美国国家科学基金会的资助时，他们被拒绝了。有些评委并不认可他们的工作，有些就说这里面没有什么新东西。
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10斯温尼，戈勒布。
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但他们的实验并没有停止。“这当中存在转捩，并且它们是定义非常良好的，所以这很棒，”斯温尼说道，“我们于是准备再接再厉，试图找到下一个。”11
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11斯温尼。
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然而，他们期望的朗道序列中断了。实验与理论不相符合。12 在下一个转捩中，流体流就直接跳到一个紊乱的状态，根本没有可辨识的周期。其中既没有新的频率，也没有复杂性的渐次积累。“我们发现，它变成混沌的。”几个月后，一位身材消瘦、异常迷人的比利时人出现在了他们实验室门前。
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12J. P. Gollub and H. L. Swinney,“Onset of Turbulence in a Rotating Fluid,”Physical Review Letters 35 (1975), pp. 927–930. 这第一批实验只是开启了大门，让人得以一窥如何通过改变同轴旋转圆筒之间流体的少量参数来生成复杂的空间运动方式。在接下去的几年时间里，更多的斑图得到了描述，从“开塞钻”到“小波”，从“波状的流入边界和流出边界”到“上下交错的螺旋状流”。对此的一个总结是：C. David Andereck, S. S. Liu, and Harry L. Swinney,“Flow Regimes in a Circular Couette System with Independently Rotating Cylinders,”Journal of Fluid Mechanics 164 (1986), pp. 155–183.
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