生命脈動、雨雪星辰……物理學家早已知道，湍流現象是解開世界形成奧秘的一把鑰匙——只要能正確運用一個有200年曆史的古老方程式！他們做到了。計算機模擬的首批結果超出了他們的預期。
香菸那盤繞上升的煙霧，洗手池排水孔中迴旋的水流……這些現象於我們司空見慣，偶爾也會令人短暫出神，浮想翩躚。然而，在物理學家眼裡，這種叫做湍流的現象絕非等閒——曾經是挑戰，如今是啟示！
挑戰——因為它的複雜程度，導致研究過程異常艱難；啟示——那是因為一切萬物，從一滴雨水的產生到星系的運轉，都從最基本最簡單的湍流、從無限小的渦旋開始……
其實這是個由來已久的課題，達·芬奇就曾沉迷於亞諾河洶湧湍流。自他之後，物理學家們便深知，關於這個世界構成的大多數謎題，都可以從這些大大小小、環環相扣的流體現象中尋得答案。
湍流構成了一切流體力學現象的核心。也就是說，自然界的許多現象，只要和運動、流動有關，都不可避免地與湍流息息相關：恆星、海洋、血管、細胞……無論哪裡。
“湍流首先是一種能量從大尺度向小尺度傳遞的機制，是聯結宏觀世界與微觀世界的紐帶，從海浪、風一直到分子、輻射。”法國波爾多數學研究所（IMB）的查理-亨利·布魯諾（Charles-Henri Bruneau）介紹道，“其重要性對於描述氣象、地質、海洋、天體物理甚至生物現象而言顯而易見。”
描述湍流現象的納維-斯托克斯方程誕生於19世紀，它以經典牛頓體系為基礎，理論上能夠在初始條件已知的情況下，測算任意一種流體的運動。然而一直以來有個大問題：它是一個非線性偏微分方程，求解非常困難，沒有一種數學工具能夠解出這些方程。
這便是神秘的納維-斯托克斯方程，它們能夠描述流體在時間中的演變情況。
物理學家雖深諳流體定律，但面對船舶尾流中千古不易的渦旋，仍然無法準確地預測它們的形狀和速度。“這是最諷刺的地方：這些方程告訴我們答案就在那裡，但卻算不出。”法國格勒諾布爾大學地球物理和工業流體實驗室（LGEI）該課題專家邁克爾·布固安（Mickaël Bourgoin）總結道，“打19世紀以來我們就止步於此！”
形勢是如此令人惱火，以至於量子力學創始人之一維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）在他生命的最後時刻發出這樣的感嘆：“我要問問上帝，為什麼有相對論，為什麼有湍流？我肯定他只能回答我第一個問題。”
最新的研究成果能讓他安息嗎？我們沒有十足的把握。但這些成果有效倒是真的。由於正面攻堅不果，實用主義閃亮登場。
30年來，不同學派的理論家和實驗家孜孜不倦地彙總各種形態的湍流。一如19世紀致力於完成元素週期表的那些化學家，他們耐心篩選出可以用作基本“元素”的湍流形態。“我們的方法是設計一些特殊條件下的近似模型，特定幾何形態，特定速度，然後核對模擬結果與實際情況是否一致。”法國尼斯大學湍流專家達里奧·文森奇（Dario Vincenzi）解釋道。
一架飛機機翼頂端產生的渦旋中的湍流
最近幾年，數字計算高速發展。計算機和高速成像儀使我們能更好地捕捉到極微流體的運動軌跡，從而把關注範圍從液體和氣體的平均速度拓展到液體和氣體構成分子的對撞。“我們掌握著成千上萬個納維-斯托克斯方程的近似解！”查理-亨利·布魯諾興奮地指出，“而且這些程序可以納入更復雜的算法，用於描述整體現象。”
- 計算之力所能及
量變引發質變。現在，科學家有了一套稱手的工具，令他們在所有涉及流體的領域，都能找到最適用於研究課題的虛擬基本渦旋。從此湍流就可計算了。“我們終於能夠預測流體的屬性。”達里奧·文森奇總結道。的確，伴隨著這些全新的模擬實驗，重大發現不斷湧現，遠遠超出了預期。
科學人員發現梵高的後期作品，包括《星夜》在內，包含有一種物理上稱為“湍流”的神韻。
來聽聽科學家們怎樣說：
“將湍流納入考量，我們才有可能對黑洞周圍塵埃盤和恆星形成進行描述。”——德國馬普研究院天體物理學家呂恰諾·雷佐拉（Luciano Rezzola）；
“我們得以親眼見證雨滴的形成。”——法國藍色海岸天文臺物理學家傑瑞米·戴克（Jérémie Dec）；
“現在我們弄清了心率異常的原因。”——印度班加羅爾科學院的拉胡爾·潘迪特（Rahul Pandit）；
“我們深入恆星形成機制的細節。”——法國原子能及可替代能委員會天體物理學家弗雷德裡克·布爾諾（Frédéric Bournaud）；
“我們理解了海洋生態系統的能動機制。”——美國麻省理工學院生態學家羅曼·斯托克（Roman Stoker）；
“我們弄清了灼熱氣體混合後如何自燃。”——瑞士蘇黎世綜合理工學院物理學家克里斯托·弗魯扎奇斯（Christos Frouzakis）。
另外，成果還涉及地球磁場的產生、癌細胞演變乃至新思潮的湧現……總之，如潮水般湧來。藉助模擬，各種性質的湍流得到完美再現。湍流的世界從此打開大門。
- 湍流塑造空間結構
圖為首次用計算機模擬生成的等離子體渦旋：極為細微的溝壑內密佈帶電氣體——那是孕育宇宙最初星系的搖籃！
“我們有充分理由相信，在宇宙的原始時期，也就是大爆炸剛剛發生的幾百萬年內，氣體如湍流一般演化。”澳大利亞莫納什大學天體物理學家克里斯托弗·費德拉瑟（Christoph Federrath）解釋道，“但當時的宇宙飛速擴張，要對其進行描述我們需要引入相對論。”然而長久以來，由於沒有模型可以描述這些以近乎光速的速度旋轉的渦旋，物理學家只好擱置這一課題。
情況在多月前有了轉機，德國馬普研究院呂恰諾·雷佐拉和同事們找到了愛因斯坦相對論方程和描述流體湍流的方程的結合點。他們由此得出了一個能夠描述等離子體在這一極端環境中演化的新模型，並將其轉譯為計算機語言，從而首次完成了宇宙初期形態的仿真模擬。
“有了這個相對論的湍流模型，我們對於宇宙原始氣體動力學的研究和量化指日可待。”克里斯托弗·費德拉瑟興奮地說……我們也終將明白最初的恆星是如何在這些微小的高速渦旋中誕生的。
- 湍流形成降雨
請看圖上這些密密麻麻的小黑點：黑點越是密集的地方，雨滴形成的速度就越快！法國藍色海岸天文臺的傑瑞米·戴克通過對大氣湍流的小尺度模擬發現，懸浮於雲層中的微小水滴不斷聚集，逐漸形成超大水滴……
最後迫於重力落下，這就是我們看到的降雨。“在一些雲層中，我們注意到湍流使雨水形成速度快了10倍！”可惜天氣預報模型至今沒有考慮到這一現象……
- 湍流引發心臟驟停
“這就是心臟停搏的元兇：這種螺旋波在心臟中擴散所導致的心律不齊可能是致命的。”拉胡爾·潘迪特解釋道。近幾年來，在模擬心臟組織生理電湍流的研究中，這位印度班加羅爾科學院的凝聚態物理專家發現了災難的起因：一些螺旋波穿過心臟隔膜干擾了心室的收縮。“我們正在研究它們的傳播情況，並將根據研究所得對心臟除顫器進行改進。”
- 湍流點亮恆星
“在這個模擬實驗中我們看到，當兩個星系相撞時，會形成許多氣體極為密集的區域，它們無一例外地成為恆星的誕生地。”弗雷德裡克·布爾諾描述道。他建立了一套表現兩個螺旋星系（觸角星系NGC4038與NGC4039）相撞後產生的湍流的模型，並得出結論：湍流在恆星生成過程中發揮了關鍵作用。受其影響，恆星的誕生點分佈很廣，並不侷限於碰撞的中心。
- 湍流調節海洋生態系統
這張圖片反映了一粒養料隨湍流運動的軌跡，可以解釋某些細菌為何能在海洋中佔統治地位。
通過模擬海洋中的養料分佈，劍橋大學海洋流體動力學專家約翰·泰勒（John Taylor）於2009年發現海洋中會游泳的細菌能夠適應生活環境中的湍流，從而較不會運動的細菌形成優勢：“某些海洋微生物會利用湍流，以獲得更好的覓食、繁殖及擴散條件。”而在麻省理工學院，羅曼·斯托克和他的小組剛剛發現湍流能夠控制浮游植物群落的發展，通過略微改變每一個體的漂移角度，使它們的分佈範圍更廣。
“我們開啟了一個全新的研究領域，它融合了物理學和海洋微生物學。”羅曼·斯托克興奮地說，“流體力學為我們理解海洋微生物的分佈、以及周邊整個生態系統提供了線索。 ”
- 湍流點燃熾熱的氣體
起火點源於渦旋！在模擬中納入湍流現象，蘇黎世綜合理工學院物理學家克里斯托·弗魯扎奇揭開了高溫氣體自燃的奧秘：“兩種熱氣體混合時形成的湍流起到了催化作用。湍流製造出大量氣體絲，使兩種反應氣體得以充分接觸。”當不同氣體全部均勻混合後，溫度急劇升高，引發自燃……
撰文 Simon Devos
Mathilde Fontez
編譯 郭鑫
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