湍流是个物理问题吗?

湍流是个物理问题吗?

季索清,虚己游世

湍流被认为是经典物理学中最后一个未解决的问题。然而湍流的概念及其应用早已经超出了经典物理的框架,并延伸到了现代物理学研究的各个分支中。由于这是一篇概要性质、而非科普性质的回答,以下我仅仅是极为简要地介绍了各领域中与湍流相关的一些物理研究课题,供题主参考:

1. 天体物理

湍流(尤其是磁流体湍流)涉及到天体物理中各个尺度的研究对象。在较大的星系团、星系的尺度上,湍流能量是反馈机制的重要来源(关于反馈机制的科普介绍,详见天文学家是怎么研究宇宙演化的? - 季索清的回答 - 知乎);在较小的尺度上,星际介质的湍流在很大程度上决定了恒星的形成,在密度的峰值上物质会由于引力不稳定性坍缩成恒星;在更小的尺度上,吸积盘机制的关键就是湍流的生成,湍流也充斥着恒星的内部。

(吸积盘中的湍流。图片来源:yanfei-homepage

2. 凝聚态物理

2016 年的诺贝尔物理学奖颁给了拓扑相变方面的研究,而这一研究与超流(superfluid)问题相关(具体内容详见问题2016 年诺贝尔物理学奖「拓扑量子相变」具体是在研究什么?目前在国内外的应用进展如何?)。所谓超流,是黏度(visocsity)为零的流体,因此也极易形成量子湍流。下图显示了 3 维超流中的涡旋结构;有意思的是这种结构与宇宙弦(cosmic string)具有相同的数学性质,于是这又与引力物理、宇宙学关联起来了。

(图片来源:Quantum turbulence

3. 高能物理

Reggeon field theory 中通过有向渗透(Directed percolation)这一概念,将湍流与粒子散射联系在一起。我对这方面了解有限,有兴趣的同学可以移步Directed percolation and Reggeon field theory继续阅读。

4. 生物物理

在生物物理中,湍流也是一个重要概念。除了关于生物体的研究涉及到湍流(譬如血液的黏度和湍流的关系及其对生物体的影响),生态系统中的种群行为也会表现出湍流的特征。在下面的两幅图中,第一幅图出自一篇流体力学论文,反映的是 一段湍流的持续时间/两段湍流的间隔时间 和雷诺数的关系;第二幅图出自一篇生物物理论文,反映的是一个被捕食种群的 生存时间/两次爆发增长的间隔时间 和该种群繁殖率的关系。可以看出,两者惊人地相似。

(图片来源:The Onset of Turbulence in Pipe Flow

(图片来源:nature.com/nphys/journa

回到题主的疑问:如果我们放眼物理学研究的前沿,我们会发现湍流问题已经渗入到物理的诸多领域,物理学家们对湍流其实是非常感兴趣的。