“当我见到上帝时，我要问他两个问题：为什么是相对论？又为什么是湍流？我真的相信他对第一个问题会有答案。”
这句可能是杜撰的名言，据说是物理学家维尔纳·海森堡所说，表达了许多科学家对湍流的感受：一种现象，其中流体（液体或气体）的有序流动分解成看似不可预测的漩涡，例如当河流绕过岩石流动，或牛奶与咖啡混合时。
但是研究人员在理解湍流的物理学方面正在取得进展。在8月17日发表在科学杂志上的一篇论文中，西班牙航空工程师团队的模拟有助于解决一个长期存在的难题，即能量如何在湍流流体中移动。在过去的12个月中，数学家在解释湍流如何帮助耗散流体的能量，导致它们停止运动方面取得了进展。
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对湍流及其对能量传递的影响的更好理解，可能会给科学家带来巨大的回报——从希望模拟星系团中气体流动的天体物理学家，到模拟洋流如何携带热量的气候学家。
尺度问题
从理论上讲，近200年前提出的纳维-斯托克斯方程很好地描述了流体的物理特性。但是这些方程非常难以求解。因此，工程师和科学家通常会提出简化的理论模型，或者在想要预测流体流动时求助于数值模拟。这种方法有其局限性：即使是超级计算机，建模湍流也会使其不堪重负。
现在，马德里理工大学的航空工程师何塞·卡德萨和他的合作者表示，他们已经能够首次完全模拟湍流如何将动能扩散到越来越小的漩涡尺度中。例如，对于装在大型水箱中的水，他们的计算机模拟可以跟踪能量如何在大约一分钟内从直径1米的漩涡传递到小至12厘米尺度的涡流中。
他们的结果验证了俄罗斯数学物理学家安德烈·科尔莫戈罗夫在1940年代初期提出的理论。其后果之一是湍流以级联方式发生：大的涡流分解成小的涡流，而小的涡流又分裂成更小的涡流，呈分形方式。卡德萨说，在这个模型中，动能的传递就像接力赛中接力棒在跑步者之间传递一样，但跑步者越来越小，数量也越来越多。
科尔莫戈罗夫的图景暗示能量从大的漩涡扩散到附近较小的涡流，而不是扩散到更远的距离。约翰·霍普金斯大学位于马里兰州巴尔的摩的理论物理学家格雷戈里·埃因克说，这得到了一些数学定理的支持，而卡德萨的团队已经证实了这一点。卡德萨说，理解这些动力学可能有助于改进对空气动力阻力等现象中能量流动的预测。
湍流级联
研究人员认为，这种“湍流级联”解释了为什么即使是低粘度的流体——例如大气中的气体，其中移动层之间的阻力很小——在湍流发生时仍然会迅速将其动能转化为热量并减速。湍流将能量扩散到越来越小的涡流中，这些涡流在其较小的尺度上会增加局部粘度。就像固体物体之间的摩擦一样，这种粘度起到增加流体层之间运动阻力的作用，从而将动能耗散为热量。
数学家正在将其对低粘度流体的探索推向极限。物理学家、化学家和数学家拉斯·昂萨格在1949年提出，从理论上讲，即使流体的粘度变得非常小或为零（这种情况在现实世界中永远不会出现），流体仍然可以耗散能量。在这种假设的场景中，流体的运动只会不断分散到无限小的涡流中，最终仍然会消失。“这是一个有点令人震惊的想法，”德克萨斯大学奥斯汀分校的数学家菲利普·伊塞特说。
昂萨格推测，湍流可能仅在特定条件下才会减缓非粘性流体的速度；在其他情况下，正如预期的那样，流体将永远保持流动。在1990年代，埃因克在数学上证明了这个想法是正确的。在去年他在网上发表的一篇论文中，伊塞特发布了纳维-斯托克斯方程的解，表明一些零粘度流确实会因为湍流而减速并停止。他的著作即将发表在数学年刊上。
这些解所描述的流体运动不是很现实：它们开始时处于静止状态，神奇地开始移动，然后逐渐停止。但是今年，包括瑞士苏黎世大学的卡米洛·德莱利斯和德国莱比锡大学的拉斯洛·塞凯利希迪（伊塞特的工作就是基于他的工作）在内的其他数学家，发现了相同方程的稍微更现实的解，其中最初移动的流体会减速。
塞凯利希迪说，只有当最新的数学工作与现实世界更相关时，物理学家才会关注它。一个开始是找到描述流体开始时具有粘度并逐渐变得无限薄的解。但密歇根大学安阿堡分校的数学物理学家查尔斯·多林表示，他希望这种方法最终可能为湍流模型指明方向，该模型比纳维-斯托克斯方程更易于使用，并且适用于所有情况。他说，那是“宏伟的梦想”。
本文经许可转载，并于2017年8月21日首次发表。