兩項澳大利亞科學(xué)家研究，首次證明了已有70年歷史的湍流理論。這些研究證實了一個具有開創(chuàng)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(dǎo)體中的電子到肥皂泡表面，再到氣旋等大氣現(xiàn)象，在各種系統(tǒng)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，一個常見的觀察特征是，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(guī)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(jìn)行一般的理論描述（而克萊數(shù)學(xué)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(guī)模渦運動的形成，從最初的湍流二維流動。

盡管Onsager的二維湍流物理圖像很吸引人，但它只能對一種特殊類型的流體進(jìn)行定量預(yù)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(xiàn)，直到現(xiàn)在，這使得對昂塞格理論的檢驗變得困難。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(xué)的新興研究領(lǐng)域有著廣泛關(guān)聯(lián)，更具體地說，與超流體和超導(dǎo)體的研究有關(guān)，這項新研究發(fā)表在《科學(xué)》上的兩篇論文中：

其中一篇實驗研究由弗利特莫納什大學(xué)牽頭，另一篇由昆士蘭大學(xué) EQUS/FLEET合作項目牽頭。大多數(shù)人都熟悉漩渦的概念：無論是熟悉的龍卷風(fēng)的扭曲形狀，還是浴缸里形成的簡單漩渦，都會通過水孔排出。在沒有垂直運動的二維系統(tǒng)中，如液體表面，或在氣旋等大氣系統(tǒng)中，渦也會發(fā)生。事實上，二維渦旋覆蓋了廣泛的系統(tǒng)，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(dǎo)體中電子的零電阻運動。

70年來對這種二維渦旋系統(tǒng)的理解一直受Lars Onsager理論的支配，該理論認(rèn)為，在一個湍流的二維系統(tǒng)中，當(dāng)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(zhuǎn)的渦旋會聚集形成更大、更穩(wěn)定的渦旋——系統(tǒng)會變得有序，而不是更混亂。為了使他1949年的理論在數(shù)學(xué)上易于處理，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(jìn)一步發(fā)展而來。

Onsager理論描述了一個二維湍流系統(tǒng)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(tài)，熵作為能量的函數(shù)而減小，這與我們所認(rèn)為的“正?！睙崃W(xué)狀態(tài)相反。莫納什領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在一定溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生了渦旋分布，并觀察了它們隨后的演化。正如昂塞格所描述的那樣，開始時渦旋分布相對隨機的狀態(tài)開始有序。另一方面，昆士蘭大學(xué)研究直接產(chǎn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

兩項研究都使用玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BECs)進(jìn)行了實驗，這是一種存在于超低溫度下的量子態(tài)，在這種狀態(tài)下，量子效應(yīng)在宏觀尺度上可見。研究人員利用激光在銣原子的冷凝物中制造了湍流，并觀察了由此產(chǎn)生渦旋隨時間的行為。這兩項研究為進(jìn)一步研究遠(yuǎn)離平衡的相互作用量子系統(tǒng)涌現(xiàn)結(jié)構(gòu)提供了廣闊前景。其兩項研究成果于2019年6月27日發(fā)表在《科學(xué)》上。

博科園｜研究/來自：FLEET

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aat5793

DOI: 10.1126/science.aat5718

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