2024-02-06 02:02:28 | 来源: 互联网整理
“当我见到上帝时，我会问他两个问题：为什么会有相对论？为什么会有湍流？我坚信他会给出第一个问题的答案。”
众所周知，湍流（例如图中的烟雾）很难模拟。
亚历山大·里伯/盖蒂
据传这是物理学家维尔纳·海森堡说过的话，它反映了许多科学家对湍流的看法。 湍流是指有序流动的流体（液体或气体）分裂成看似不可预测的漩涡的现象，例如河流流过岩石或牛奶与咖啡混合时发生的情况。
然而，研究人员在研究湍流物理学方面取得了一些进展。 根据 8 月 17 日《科学》杂志发表的一篇论文，西班牙航空航天工程师团队的模拟有助于解决能量如何在湍流流体中移动的长期难题。 在过去的 12 个月里，数学家在解释湍流如何帮助消散流体能量并阻止其移动方面又向前迈进了一步。
对于科学家来说，无论是试图模拟星系团中气体如何流动的天体物理学家，还是试图模拟洋流如何携带热量的气候学家，加深对湍流及其对能量传递影响的了解都将使他们受益匪浅。
规模问题
从理论上讲，大约两百年前提出的纳维-斯托克斯方程很好地描述了流体的物理性质，但这些方程求解起来极其困难。 当工程师和科学家想要预测流体流动时，他们通常会提出简化的理论模型或使用数值模拟。 这种方法有其局限性：模拟湍流甚至会减慢超级计算机的速度。
现在，马德里理工大学的航空航天工程师何塞·卡德萨（José Cardesa）和他的合作者表示，他们首次能够完全模拟湍流如何在尺寸越来越小的涡流之间传播动能。 例如，对于储存在大水箱中的水，他们的计算机模拟可以追踪能量如何在大约一分钟内从直径 1 米的涡流转移到直径 12 厘米的涡流。
他们的结果验证了俄罗斯数学物理学家 Andrei Kolmogorov 在 20 世纪 40 年代初提出的理论。 这一理论的一个推论是，湍流以级联的形式发生：大涡流分裂成小涡流，小涡流又以分形方式分裂成更小的涡流。 卡德萨表示，在这个模型中，动能的传递就像接力赛中运动员之间传递接力棒一样，只不过运动员越来越小，数量越来越多。
柯尔莫哥洛夫的描述意味着能量从大漩涡传播到附近较小的漩涡，而不是传播到更远的距离。 约翰·霍普金斯大学理论物理学家格雷戈里·艾因克表示，这种描述得到了某些数学定理的支持，卡德萨的团队也证实了这一点。 卡德萨表示，了解这些动态过程有助于改进对空气动力阻力等现象中能量流的预测。
湍流级联
研究人员认为，这种“湍流级联”可以解释为什么低粘度流体（例如运动层之间阻力很小的大气）仍然可以快速将动能转化为热量，并在湍流时减慢运动速度。 湍流将能量传播到越来越小的涡流，并且随着涡流尺寸的减小，局部粘度增加。 就像固体物体之间的摩擦一样，这种粘度的作用是增加流体层之间运动的阻力，从而将动能耗散成热量。
数学家正在努力探索低粘度流体。 物理学家、化学家和数学家 Lars Onsager 在 1949 年提出，理论上，即使流体的粘度变得可以忽略不计或为零（在现实世界中从未见过），流体仍然会耗散能量。 在这种假设的情况下，流体的运动将继续分散成无限小的涡流，最终消失。 “这是一个令人震惊的想法，”德克萨斯大学奥斯汀分校的数学家菲利普·伊塞特说。
拉斯·昂萨格：神秘的天才
理论物理学家和化学家拉斯·昂萨格（Lars Onsager，1903-76 年）据说是那种连理查德·费曼这样的天才都不敢与之交谈的科学家。 理论物理学家格雷戈里·艾因克（Gregory Eyink）表示，这位出生于挪威的博学者“会用简洁明了的术语发表他的研究结果，他总是对的。”
1949 年，昂萨格宣布了一个令人惊讶的想法：即使在没有粘度的情况下，湍流也会耗散能量。 这个想法现已在数学上得到证实。
在某些情况下，研究人员对昂萨格的观点是事后才想到的。 20世纪90年代，目前在约翰·霍普金斯大学工作的艾因克第一个迈出了关键的一步，验证了昂萨格关于能量耗散的论点。 后来发现昂萨格本人已经开始证明了，而且内容是日后潦草的。 在发表的笔记中。 昂萨格没有费心发表这些关于湍流的发现，部分原因是他当时正忙于其他事情，包括为他赢得 1968 年诺贝尔化学奖的研究，部分原因是他向其他人表达自己的想法。 受到冷遇。
西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán）被认为是 20 世纪 40 年代美国最重要的湍流问题专家，他向 Onsager 信中的一位同事承认：“我认为他的信有些‘古怪’。” 。 诺贝尔化学奖获得者莱纳斯·鲍林在给昂萨格的回信中说道：“如果可以的话，我希望你能用几行话向我解释一下你的想法是什么。你的工作对我来说确实很有趣，但离我还很遥远。”超出了我能正确理解的类别范围。”
感谢 Eyink 和其他人的努力，Onsager 大约 10% 的笔记和信件（保存在挪威特隆赫姆大学）已被数字化，任何人都可以在线阅读。 艾因克说，他希望其他研究人员花时间研究它们，不仅能深入了解流体动力学，还能深入了解昂萨格研究的许多其他领域，例如热力学和凝聚态物理学。
类似的事情也发生在二十世纪的另一位智者、数学家斯里尼瓦萨·拉马努金（Srinivasa Ramanujan，1887-1920）身上。 在过去的十年里，他在笔记本上勾勒出但从未发表的神秘公式得出了新的结果。
昂萨格推测，只有在某些条件下，湍流才能减慢无粘性流体的运动。 在其他情况下，流体将像预期的那样永远保持流动。 20 世纪 90 年代，Eyink 用数学方法证明了这个想法的正确性。 在去年在线发表的一篇论文中，伊塞特发表了纳维-斯托克斯方程的解，表明一些零粘度流体确实可以仅仅因为湍流而减速和停止。 他的研究成果即将发表在《数学年鉴》上。
这些解决方案描述的流体运动不太现实：它们从静止开始，神奇地开始运动，然后逐渐停止。 但今年，其他数学家，包括瑞士苏黎世大学的 Camillo De Lellis 和德国莱比锡大学的 László Székelyhidi（伊塞特的研究就是基于他们），找到了同一方程的更现实的解：液体最初移动速度减慢。
Székelyhidi 表示，物理学家可能只会注意到最新的数学研究，如果它与现实世界有很强的联系。 首先是找到一个解决方案来描述粘性流体如何逐渐变得无限稀薄。 密歇根大学数学物理学家查尔斯·多林表示，他希望这种方法最终能够产生比纳维-斯托克斯方程更简单且适用于所有情况的湍流模型。 他说这是一个“伟大的梦想”。 ⓝ
自然|doi:10.1038/nature.2017.22474
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