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    重磅突破!首次证明:长达70年的,流体湍流理论

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      🌾袁隆平

      两项澳大利亚科学家研究,首次证明了已有70年历史的湍流理论。这些研究证实了一个具有开创性的理论,即大涡是由二维流体流动中的湍流形成。在二维流体流动中,大涡是由明显的小涡混沌形成。从半导体中的电子到肥皂泡表面,再到气旋等大气现象,在各种系统中都可以观察到被限制在二维中流动的流体。在这种二维流中,一个常见的观察特征是,流体从典型湍流的混沌旋涡运动开始。

      重磅突破!首次证明:长达70年的,流体湍流理论

      如木星著名的大红斑,形成大规模的旋涡运动,湍流是一个非常困难的问题,其流体运动的随机性和混沌性是众所周知的,目前还没有对其进行一般的理论描述(而克莱数学研究所(Clay Mathematics Institute)向那些提出湍流理论的人提供100万美元的奖金)。然而,有一个简单的理论,由诺贝尔奖得主Lars Onsager在1949年提出,来解释大规模涡运动的形成,从最初的湍流二维流动。

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      尽管Onsager的二维湍流物理图像很吸引人,但它只能对一种特殊类型的流体进行定量预测:一种“超流体”,它流动时没有任何粘度或阻力,只能在极低的温度下实现,直到现在,这使得对昂塞格理论的检验变得困难。

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      作者克里斯•赫尔默森(Kris Helmerson)教授表示:这项研究与非平衡物理学的新兴研究领域有着广泛关联,更具体地说,与超流体和超导体的研究有关,这项新研究发表在《科学》上的两篇论文中:

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      其中一篇实验研究由弗利特莫纳什大学牵头,另一篇由昆士兰大学 EQUS/FLEET合作项目牵头。大多数人都熟悉漩涡的概念:无论是熟悉的龙卷风的扭曲形状,还是浴缸里形成的简单漩涡,都会通过水孔排出。在没有垂直运动的二维系统中,如液体表面,或在气旋等大气系统中,涡也会发生。事实上,二维涡旋覆盖了广泛的系统,从中子星表面中子的超流体运动到大西洋湾流,再到高温超导体中电子的零电阻运动。

      重磅突破!首次证明:长达70年的,流体湍流理论

      70年来对这种二维涡旋系统的理解一直受Lars Onsager理论的支配,该理论认为,在一个湍流的二维系统中,当更多能量被放入小涡旋的混沌混合物中时,随着时间的推移,向同一方向旋转的涡旋会聚集形成更大、更稳定的涡旋——系统会变得有序,而不是更混乱。为了使他1949年的理论在数学上易于处理,Onsager考虑了一种超流体,这种超流体会有量化的旋涡(具有量化角动量的旋涡),这个概念由Richard Feynman进一步发展而来。

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      Onsager理论描述了一个二维湍流系统能量聚集在高能、长寿命、大尺度的旋涡中。这是一种不寻常的平衡状态,熵作为能量的函数而减小,这与我们所认为的“正常”热力学状态相反。莫纳什领导的研究小组在一定温度范围内产生了涡旋分布,并观察了它们随后的演化。正如昂塞格所描述的那样,开始时涡旋分布相对随机的状态开始有序。另一方面,昆士兰大学研究直接产生了两个大的涡旋团,向相反的方向流动,测试了这种高度有序结构的稳定性。

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      两项研究都使用玻色-爱因斯坦凝聚态(BECs)进行了实验,这是一种存在于超低温度下的量子态,在这种状态下,量子效应在宏观尺度上可见。研究人员利用激光在铷原子的冷凝物中制造了湍流,并观察了由此产生涡旋随时间的行为。这两项研究为进一步研究远离平衡的相互作用量子系统涌现结构提供了广阔前景。其两项研究成果于2019年6月27日发表在《科学》上。

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