“當我見到上帝時，我要問他兩個問題：為什麼是相對論？又為什麼是湍流？我真的相信他對第一個問題會有答案。”
這句可能是杜撰的名言，據說是物理學家維爾納·海森堡所說，表達了許多科學家對湍流的感受：一種現象，其中流體（液體或氣體）的有序流動分解成看似不可預測的漩渦，例如當河流繞過岩石流動，或牛奶與咖啡混合時。
但是研究人員在理解湍流的物理學方面正在取得進展。在8月17日發表在科學雜誌上的一篇論文中，西班牙航空工程師團隊的模擬有助於解決一個長期存在的難題，即能量如何在湍流流體中移動。在過去的12個月中，數學家在解釋湍流如何幫助耗散流體的能量，導致它們停止運動方面取得了進展。
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對湍流及其對能量傳遞的影響的更好理解，可能會給科學家帶來巨大的回報——從希望模擬星系團中氣體流動的天體物理學家，到模擬洋流如何攜帶熱量的氣候學家。
尺度問題
從理論上講，近200年前提出的納維-斯托克斯方程很好地描述了流體的物理特性。但是這些方程非常難以求解。因此，工程師和科學家通常會提出簡化的理論模型，或者在想要預測流體流動時求助於數值模擬。這種方法有其侷限性：即使是超級計算機，建模湍流也會使其不堪重負。
現在，馬德里理工大學的航空工程師何塞·卡德薩和他的合作者表示，他們已經能夠首次完全模擬湍流如何將動能擴散到越來越小的漩渦尺度中。例如，對於裝在大型水箱中的水，他們的計算機模擬可以跟蹤能量如何在大約一分鐘內從直徑1米的漩渦傳遞到小至12釐米尺度的渦流中。
他們的結果驗證了俄羅斯數學物理學家安德烈·科爾莫戈羅夫在1940年代初期提出的理論。其後果之一是湍流以級聯方式發生：大的渦流分解成小的渦流，而小的渦流又分裂成更小的渦流，呈分形方式。卡德薩說，在這個模型中，動能的傳遞就像接力賽中接力棒在跑步者之間傳遞一樣，但跑步者越來越小，數量也越來越多。
科爾莫戈羅夫的圖景暗示能量從大的漩渦擴散到附近較小的渦流，而不是擴散到更遠的距離。約翰·霍普金斯大學位於馬里蘭州巴爾的摩的理論物理學家格雷戈裡·埃因克說，這得到了一些數學定理的支援，而卡德薩的團隊已經證實了這一點。卡德薩說，理解這些動力學可能有助於改進對空氣動力阻力等現象中能量流動的預測。
湍流級聯
研究人員認為，這種“湍流級聯”解釋了為什麼即使是低粘度的流體——例如大氣中的氣體，其中移動層之間的阻力很小——在湍流發生時仍然會迅速將其動能轉化為熱量並減速。湍流將能量擴散到越來越小的渦流中，這些渦流在其較小的尺度上會增加區域性粘度。就像固體物體之間的摩擦一樣，這種粘度起到增加流體層之間運動阻力的作用，從而將動能耗散為熱量。
數學家正在將其對低粘度流體的探索推向極限。物理學家、化學家和數學家拉斯·昂薩格在1949年提出，從理論上講，即使流體的粘度變得非常小或為零（這種情況在現實世界中永遠不會出現），流體仍然可以耗散能量。在這種假設的場景中，流體的運動只會不斷分散到無限小的渦流中，最終仍然會消失。“這是一個有點令人震驚的想法，”德克薩斯大學奧斯汀分校的數學家菲利普·伊塞特說。
昂薩格推測，湍流可能僅在特定條件下才會減緩非粘性流體的速度；在其他情況下，正如預期的那樣，流體將永遠保持流動。在1990年代，埃因克在數學上證明了這個想法是正確的。在去年他在網上發表的一篇論文中，伊塞特釋出了納維-斯托克斯方程的解，表明一些零粘度流確實會因為湍流而減速並停止。他的著作即將發表在數學年刊上。
這些解所描述的流體運動不是很現實：它們開始時處於靜止狀態，神奇地開始移動，然後逐漸停止。但是今年，包括瑞士蘇黎世大學的卡米洛·德萊利斯和德國萊比錫大學的拉斯洛·塞凱利希迪（伊塞特的工作就是基於他的工作）在內的其他數學家，發現了相同方程的稍微更現實的解，其中最初移動的流體會減速。
塞凱利希迪說，只有當最新的數學工作與現實世界更相關時，物理學家才會關注它。一個開始是找到描述流體開始時具有粘度並逐漸變得無限薄的解。但密歇根大學安阿堡分校的數學物理學家查爾斯·多林表示，他希望這種方法最終可能為湍流模型指明方向，該模型比納維-斯托克斯方程更易於使用，並且適用於所有情況。他說，那是“宏偉的夢想”。
本文經許可轉載，並於2017年8月21日首次發表。