最近的一项研究揭示了“奇粘度”，一种流体粒子均匀旋转的独特特性，可以导致湍流流体的混沌运动中出现规则的图案，例如在翻滚的河流或喷气发动机流出物中看到的那些。这一发现突出了控制湍流的潜力，并对太阳日冕和太阳风等自然现象产生了影响。来源:SciTechDaily.com

　　翻滚的河流或喷气发动机流出的湍流运动是混沌的:也就是说，它不包含明显的模式。

　　但根据一项新的研究，有规律的模式可以从流体的湍流运动中出现。你需要的是一种有趣的特性，叫做“奇粘度”，它在特定条件下出现，比如当流体中的粒子都以同一方向旋转时。虽然这是一种特殊的情况，但在自然界的许多情况下，这种效应可能存在，比如太阳的日冕和太阳风。

　　米歇尔·弗鲁查特(Michel Fruchart)曾是芝加哥大学的博士后研究员，现在是法国国家科学研究中心(CNRS)的教员，也是描述这一发现的论文的第一作者之一。他说:“这种令人惊讶的效果可能会增加控制和塑造湍流的工具箱。”

　　这项研究由芝加哥大学、荷兰埃因霍温理工大学和CNRS合作完成，发表在《自然》杂志上。

　　混沌的自然

　　尽管在过去的几个世纪里我们对经典物理学有了很多了解，但有一个问题仍然无法完全解释:一种被称为湍流的现象。虽然湍流每天都在我们身边出现——从头顶上翻腾的云层到流经我们血管的血液——但人们对它的理解仍然不如其他常见的物理现象那么透彻。

　　该论文的第一作者之一、埃因霍温理工大学(Eindhoven University of Technology)的博士生桑德·德·威特(Xander de Wit)说:“湍流可能在自然界中很常见，但我们对它的理解仍然只有一部分。”

　　尽管事实是，如果我们能够理解和控制湍流，我们可能会取得许多突破;例如，也许我们可以设计出更高效的飞机机翼、发动机和风力涡轮机。

　　然而，科学家们确实知道一些关于湍流的事情。如果你摇动一瓶水，你会看到漩涡形成。它们一开始的大小和瓶子的长度差不多;然后漩涡分裂成更小的漩涡，然后再分裂成更小的漩涡，如此循环，直到漩涡消散。这就是所谓的级联反应。但是，如果你做同样的事情，但将水限制在一个薄层，这些漩涡反而会合并形成一个大漩涡——木星表面的大红斑就是这种现象的一个例子，弗鲁查特说。

　　这组科学家想知道是否有可能制造并保持中等大小的漩涡——既不是一个大漩涡，也不是一个越来越小的漩涡。

　　答案是肯定的——如果你的流体显示出一种被称为“奇粘度”的特性。

　　粘度通常是用来衡量搅拌的难易程度——例如，搅拌一罐蜂蜜比搅拌一罐水更难。在正常粘度下，搅拌会使你用勺子搅拌注入的能量耗散。但“奇粘度”改变了物体运动的方式，但并不耗散能量。它在实验室的某些罕见情况下被发现。

　　研究人员建立了一个模拟，在这个模拟中，粒子表现出“奇怪的粘度”，在这种情况下，通过使液体的所有粒子像陀螺一样旋转。然后，通过调整参数，比如粒子旋转的速度，研究人员发现了一个惊喜。在一个特定的点上，他们开始看到图案而不是随机的漩涡。

　　“诀窍，我们发现，是创造一个混合级联，大的漩涡倾向于分裂，小的漩涡倾向于合并，”Fruchart说。“如果你平衡得恰到好处，你就会看到模式的形成。”

　　“当我们第一次看到这些影响时，我们并没有完全理解我们在看什么，但你可以告诉有一些不同的东西，即使是肉眼，”研究合著者、芝加哥大学博士生塔利·凯恩说。“我们必须建立一个理论来解释它，这真的很令人兴奋。”

　　虽然不是所有流体中的粒子都像陀螺一样旋转，但在自然界中确实有这样的例子。例如，磁场中的电子或多原子气体就是这样的。

　　“除了太阳和太阳风，这种效应还可能存在于不同的环境中，包括大气流动、等离子体和活性物质，”芝加哥大学教授文森佐·维泰利(Vincenzo Vitelli)说，他是该论文的资深作者之一。

　　随着科学家们对他们的发现有了更全面的了解，他们希望这将有助于更好地理解湍流中漩涡和波浪之间的相互作用。

　　“我们才刚刚开始，”维泰利说，“但我对这个想法很着迷，你可以把一个混乱的缩影，一个动荡的状态，用它来制作图案——这是一个深刻的变化，仅仅是在最小的尺度上的扭曲。”

　　参考文献:由Xander M. de Wit, Michel Fruchart, Tali Khain, Federico Toschi和Vincenzo Vitelli撰写的“湍流级联的模式形成”，2024年3月20日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07074 - z