找一套称手工具计算“湍流”之神韵
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科学家有了一套称手的工具，令他们在所有涉及流体的领域，都能找到最适用于研究课题的虚拟基本涡旋。从此湍流就可计算了。
本文出自法国《新发现》杂志
撰文 | Simon Devos，Mathilde Fontez
编译 | 郭鑫
生命脉动、雨雪星辰……物理学家早已知道，湍流现象是解开世界形成奥秘的一把钥匙——只要能正确运用一个有200年历史的古老方程式！他们做到了。最近，计算机模拟的首批结果超出了他们的预期。
盘绕上升的香烟烟雾，洗手池排水孔中回旋的水流……这些现象于我们司空见惯，偶尔也会令人短暂出神，浮想翩跹。然而，在物理学家眼里，这种叫做湍流的现象绝非等闲——曾经是挑战，如今是启示。
挑战——它的复杂程度，导致研究过程异常艰难；启示——一切万物，从一滴雨水的产生到星系的运转，都从最基本最简单的湍流、从无限小的涡旋开始……
其实这是个由来已久的课题，达·芬奇就曾沉迷于亚诺河汹涌湍流。自他之后，物理学家们便深知，关于这个世界构成的大多数谜题，都可以从这些大大小小、环环相扣的流体现象中寻得答案。
湍流构成了一切流体力学现象的核心。也就是说，自然界的许多现象，只要和运动、流动有关，都不可避免地与湍流息息相关：恒星、海洋、血管、细胞……无论哪里。
“湍流首先是一种能量从大尺度向小尺度传递的机制，是联结宏观世界与微观世界的纽带，从海浪、风一直到分子、辐射。”法国波尔多数学研究所（IMB）的查理-亨利·布鲁诺（Charles-Henri Bruneau）介绍道：“其重要性对于描述气象、地质、海洋、天体物理甚至生物现象而言显而易见。”
描述湍流现象的纳维-斯托克斯方程诞生于19世纪，它以经典牛顿体系为基础，理论上能够在初始条件已知的情况下，测算任意一种流体的运动。然而一直以来有个大问题：它是一个非线性偏微分方程，求解非常困难，没有一种数学工具能够解出这些方程。
神秘的纳维-斯托克斯方程，它们能够描述流体在时间中的演变情况。
物理学家虽深谙流体定律，但面对船舶尾流中千古不易的涡旋，仍然无法准确地预测它们的形状和速度。“这是最讽刺的地方：这些方程告诉我们答案就在那里，但却算不出。”法国格勒诺布尔大学地球物理和工业流体实验室（LGEI）该课题专家迈克尔·布固安（Mickaël Bourgoin）总结道：“打19世纪以来我们就止步于此！”
形势是如此令人恼火，以至于量子力学创始人之一维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）在他生命的最后时刻发出这样的感叹：“我要问问上帝，为什么有相对论，为什么有湍流？我肯定他只能回答我第一个问题。”
最新的研究成果能让他安息吗？我们没有十足的把握。但这些成果有效倒是真的。由于正面攻坚不果，实用主义闪亮登场。
30年来，不同学派的理论家和实验家孜孜不倦地汇总各种形态的湍流。一如19世纪致力于完成元素周期表的那些化学家，他们耐心筛选出可以用作基本“元素”的湍流形态。“我们的方法是设计一些特殊条件下的近似模型、特定几何形态、特定速度，然后核对模拟结果与实际情况是否一致。”法国尼斯大学湍流专家达里奥·文森奇（Dario Vincenzi）解释道。
一架飞机机翼顶端产生的涡旋中的湍流
最近几年，数字计算高速发展。计算机和高速成像仪使我们能更好地捕捉到极微流体的运动轨迹，从而把关注范围从液体和气体的平均速度拓展到液体和气体构成分子的对撞。“我们掌握着成千上万个纳维-斯托克斯方程的近似解！”查理-亨利·布鲁诺兴奋地指出，“而且这些程序可以纳入更复杂的算法，用于描述整体现象。”
计算之力所能及
量变引发质变。现在，科学家有了一套称手的工具，令他们在所有涉及流体的领域，都能找到最适用于研究课题的虚拟基本涡旋。从此湍流就可计算了。“我们终于能够预测流体的属性。”达里奥·文森奇总结道。的确，伴随着这些全新的模拟实验，重大发现不断涌现，远远超出了预期。
科学人员发现梵高的后期作品，包括《星夜》在内，包含有一种物理上称为“湍流”的神韵。
来听听科学家们怎样说：
“将湍流纳入考量，我们才有可能对黑洞周围尘埃盘和恒星形成进行描述。”——德国马普研究院天体物理学家吕恰诺·雷佐拉（Luciano Rezzola）；
“我们得以亲眼见证雨滴的形成。”——法国蓝色海岸天文台物理学家杰瑞米·戴克（Jérémie Dec）；
“现在我们弄清了心率异常的原因。”——印度班加罗尔科学院的拉胡尔·潘迪特（Rahul Pandit）；
“我们深入恒星形成机制的细节。”——法国原子能及可替代能委员会天体物理学家弗雷德里克·布尔诺（Frédéric Bournaud）；
“我们理解了海洋生态系统的能动机制。”——美国麻省理工学院生态学家罗曼·斯托克（Roman Stoker）；
“我们弄清了灼热气体混合后如何自燃。”——瑞士苏黎世综合理工学院物理学家克里斯托·弗鲁扎奇斯（Christos Frouzakis）。
另外，成果还涉及地球磁场的产生、癌细胞演变乃至新思潮的涌现……总之，如潮水般涌来。借助模拟，各种性质的湍流得到完美再现。湍流的世界从此打开大门。
湍流塑造空间结构
图为首次用计算机模拟生成的等离子体涡旋：极为细微的沟壑内密布带电气体——那是孕育宇宙最初星系的摇篮！
“我们有充分理由相信，在宇宙的原始时期，也就是大爆炸刚刚发生的几百万年内，气体如湍流一般演化。”澳大利亚莫纳什大学天体物理学家克里斯托弗·费德拉瑟（Christoph Federrath）解释道：“但当时的宇宙飞速扩张，要对其进行描述我们需要引入相对论。”然而长久以来，由于没有模型可以描述这些以近乎光速的速度旋转的涡旋，物理学家只好搁置这一课题。
情况在多月前有了转机，德国马普研究院吕恰诺·雷佐拉和同事们找到了爱因斯坦相对论方程和描述流体湍流的方程的结合点。他们由此得出了一个能够描述等离子体在这一极端环境中演化的新模型，并将其转译为计算机语言，从而首次完成了宇宙初期形态的仿真模拟。
“有了这个相对论的湍流模型，我们对于宇宙原始气体动力学的研究和量化指日可待。”克里斯托弗·费德拉瑟兴奋地说……我们也终将明白最初的恒星是如何在这些微小的高速涡旋中诞生的。
湍流形成降雨
请看图上这些密密麻麻的小黑点：黑点越是密集的地方，雨滴形成的速度就越快！法国蓝色海岸天文台的杰瑞米·戴克通过对大气湍流的小尺度模拟发现，悬浮于云层中的微小水滴不断聚集，逐渐形成超大水滴……
最后迫于重力落下，这就是我们看到的降雨。“在一些云层中，我们注意到湍流使雨水形成速度快了10倍！”可惜天气预报模型至今没有考虑到这一现象……
湍流引发心脏骤停
“这就是心脏停搏的元凶：这种螺旋波在心脏中扩散所导致的心律不齐可能是致命的。”拉胡尔·潘迪特解释道。近几年来，在模拟心脏组织生理电湍流的研究中，这位印度班加罗尔科学院的凝聚态物理专家发现了灾难的起因：一些螺旋波穿过心脏隔膜干扰了心室的收缩。“我们正在研究它们的传播情况，并将根据研究所得对心脏除颤器进行改进。”
湍流点亮恒星
“在这个模拟实验中我们看到，当两个星系相撞时，会形成许多气体极为密集的区域，它们无一例外地成为恒星的诞生地。”弗雷德里克·布尔诺描述道。他建立了一套表现两个螺旋星系（触角星系NGC4038与NGC4039）相撞后产生的湍流的模型，并得出结论：湍流在恒星生成过程中发挥了关键作用。受其影响，恒星的诞生点分布很广，并不局限于碰撞的中心。
湍流调节海洋生态系统
这张图片反映了一粒养料随湍流运动的轨迹，可以解释某些细菌为何能在海洋中占统治地位。
通过模拟海洋中的养料分布，剑桥大学海洋流体动力学专家约翰·泰勒（John Taylor）于2009年发现海洋中会游泳的细菌能够适应生活环境中的湍流，从而较不会运动的细菌形成优势：“某些海洋微生物会利用湍流，以获得更好的觅食、繁殖及扩散条件。”而在麻省理工学院，罗曼·斯托克和他的小组刚刚发现湍流能够控制浮游植物群落的发展，通过略微改变每一个体的漂移角度，使它们的分布范围更广。
“我们开启了一个全新的研究领域，它融合了物理学和海洋微生物学。”罗曼·斯托克兴奋地说，“流体力学为我们理解海洋微生物的分布以及周边整个生态系统提供了线索。 ”
湍流点燃炽热的气体
起火点源于涡旋！在模拟中纳入湍流现象，苏黎世综合理工学院物理学家克里斯托·弗鲁扎奇揭开了高温气体自燃的奥秘：“两种热气体混合时形成的湍流起到了催化作用。湍流制造出大量气体丝，使两种反应气体得以充分接触。”当不同气体全部均匀混合后，温度急剧升高，引发自燃……
本文经授权转载自微信公众号「新发现杂志」。
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