重磅突破！首次證明：長達70年的，流體湍流理論

湍流問題解決了嗎

兩項澳大利亞科學家研究，首次證明了已有70年曆史的湍流理論。這些研究證實了一個具有開創性的理論，即大渦是由二維流體流動中的湍流形成。在二維流體流動中，大渦是由明顯的小渦混沌形成。從半導體中的電子到肥皂泡表面，再到氣旋等大氣現象，在各種系統中都可以觀察到被限制在二維中流動的流體。在這種二維流中，一個常見的觀察特徵是，流體從典型湍流的混沌

旋渦

運動開始。

如木星著名的大紅斑，形成大規模的旋渦運動，湍流是一個非常困難的問題，其流體運動的隨機性和混沌性是眾所周知的，目前還沒有對其進行一般的理論描述（而克萊數學研究所（Clay Mathematics Institute）向那些提出湍流理論的人提供100萬美元的獎金）。然而，有一個簡單的理論，由諾貝爾獎得主Lars Onsager在1949年提出，來解釋大規模渦運動的形成，從最初的湍流二維流動。

儘管Onsager的二維湍流物理影象很吸引人，但它只能對一種特殊型別的流體進行定量預測：一種“超流體”，它流動時沒有任何粘度或阻力，只能在極低的溫度下實現，直到現在，這使得對昂塞格理論的檢驗變得困難。

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作者克里斯•赫爾默森（Kris Helmerson）教授表示：這項研究與非平衡物理學的新興研究領域有著廣泛關聯，更具體地說，與超流體和超導體的研究有關，這項新研究發表在《科學》上的兩篇論文中：

其中一篇實驗研究由弗利特莫納什大學牽頭，另一篇由昆士蘭大學 EQUS/FLEET合作專案牽頭。大多數人都熟悉漩渦的概念：無論是熟悉的龍捲風的扭曲形狀，還是浴缸裡形成的簡單漩渦，都會透過水孔排出。在沒有垂直運動的二維繫統中，如液體表面，或在氣旋等大氣系統中，渦也會發生。事實上，二維渦旋覆蓋了廣泛的系統，從中子星表面中子的超流體運動到大西洋灣流，再到高溫超導體中電子的零電阻運動。

70年來對這種二維渦旋系統的理解一直受Lars Onsager理論的支配，該理論認為，在一個湍流的二維繫統中，當更多能量被放入小渦旋的混沌混合物中時，隨著時間的推移，向同一方向旋轉的渦旋會聚集形成更大、更穩定的渦旋——系統會變得有序，而不是更混亂。為了使他1949年的理論在數學上易於處理，Onsager考慮了一種超流體，這種超流體會有量化的旋渦（具有量化角動量

的旋渦

），這個概念由Richard Feynman進一步發展而來。

Onsager理論描述了一個二維湍流系統能量聚集在高能、長壽命、大尺度的旋渦中。這是一種不尋常的平衡狀態，熵作為能量的函式而減小，這與我們所認為的“正常”熱力學狀態相反。莫納什領導的研究小組在一定溫度範圍內產生了渦旋分佈，並觀察了它們隨後的演化。正如昂塞格所描述的那樣，開始時渦旋分佈相對隨機的狀態開始有序。另一方面，昆士蘭大學研究直接產生了兩個大的渦旋團，向相反的方向流動，測試了這種高度有序結構的穩定性。

兩項研究都使用玻色-愛因斯坦凝聚態（BECs）進行了實驗，這是一種存在於超低溫度下的量子態，在這種狀態下，量子效應在宏觀尺度上可見。研究人員利用鐳射在銣原子的冷凝物中製造了湍流，並觀察了由此產生渦旋隨時間的行為。這兩項研究為進一步研究遠離平衡的相互作用量子系統湧現結構提供了廣闊前景。其兩項研究成果於2019年6月27日發表在《科學》上。