在一个多世纪前首次提出这个想法之后，物理学家终于弄清楚了如何在实验室中将水打结。今天在《自然物理》中描述的这项棘手壮举，为科学家实验研究各种现象中的扭曲和转动铺平了道路，这些现象包括：太阳外层大气中的电离气体、超导材料、液晶和描述基本粒子的量子场。
丹尼尔·拉思罗普和芭芭拉·布劳恩-西纳尼在一篇评论文章中写道，开尔文勋爵提出原子是打结的“涡环”——本质上就像龙卷风弯曲成闭环并相互缠绕。在开尔文的设想中，流体是当时被认为弥漫在整个空间中的理论上的“以太”。每种类型的原子都将用不同的结表示。
开尔文对元素周期表的解释从未得到任何进展，但他的想法导致了结的数学理论的蓬勃发展，这是拓扑学领域的一部分。与此同时，科学家们也逐渐意识到，结在许多物理过程中发挥着关键作用。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来关于塑造当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
伊利诺伊州芝加哥大学的物理学家达斯汀·克莱克纳和威廉·欧文表示，在流体中打结与在鞋带上打结几乎没有相似之处。必须扭转受限区域（例如涡流）内的整个三维 (3D) 流体体积。克莱克纳和欧文现在使用 3D 打印机制造的微型飞机机翼创建了一个打结的涡流。
在飞机的飞行过程中，机翼会引起气流的旋转或涡流运动，从而为飞机提供升力。当静止的机翼突然加速时，会产生两个方向相反的气流涡流。研究人员将他们的小型机翼浸入水箱中，并使其突然加速，以创建一个打结的结构（视频如下和顶部）。
捕捉结的图像是另一项技术上的杰作。流体动力学家通常使用彩色染料来追踪流体的运动，但克莱克纳和欧文将微小的气泡注入水中，这些气泡被浮力吸向打结涡流的中心。一台能够以每秒 76,000 帧的速度生成流体 CT 扫描视图的高速激光扫描仪使研究人员能够重建气泡的 3D 排列，从而揭示结。
英国布里斯托尔大学的光学物理学家马克·丹尼斯说：“作者在能够对这些涡流结进行成像方面取得了一项了不起的成就。” 他已经用光束制造了打结的涡流。他补充说，这项新研究将涉及结的物理过程的抽象概念转化为实验室中可测试的想法。
欧文说：“打结的涡流是一个理想的模型系统，可以让我们研究结在真实物理场中解开自身的精确方式。”
打结的涡流出现在物理学的几个分支中。例如，粒子物理学家已经提出，“胶球”——胶子的假设聚集体，胶子是将夸克结合形成质子和中子的基本粒子——是紧密打结的量子场。
今年 1 月，科学家们报告了“解辫”的证据，或者说打结磁场的松弛，这可能有助于将热量传递到太阳的日冕或外层大气，从而解释了为什么该区域中的等离子体比太阳表面热得多。