湍流是混沌的，但具有普遍的統計特性，近年來，在細菌懸浮液、上皮細胞單層、生物聚合物和分子馬達混合物等活性流體中發現了看似湍流的流動。在《自然物理》期刊上發表的一項新研究中，來自巴塞羅那大學、普林斯頓大學和法國理工學院的科學家發現，活動向列相流體中的混沌流動，可以用獨特的普適標度定律來描述。
湍流在自然界中無處不在，從恆星中的等離子體流，到地球上的大規模大氣和海洋流，再到飛機引起的氣流。湍流是混沌的，不斷地產生出現並分裂成較小的漩渦。然而，當從統計意義上考慮這種複雜的混沌行為時，湍流遵循普遍的標度定律。這意味著湍流的統計特性，在湍流的產生方式和觀察特定流體的特性（如其粘度和密度）方面都是獨立的。
科學家在活性流體的背景下重新審視了這一普適性概念，在活躍的湍流中，流動和漩渦不是由某些外部因素（如大氣中的溫度梯度）的作用產生，而是由活躍的流體本身產生。這些流體的活性特性，取決於它們內部產生作用力的能力，例如，由於細菌遊動或分子馬達對生物聚合物的作用。普林斯頓大學博士後研究員裡卡德·阿爾特解釋說：當這些活躍力足夠強大時，流體就會開始自發流動，由活躍過程注入的能量提供動力。
當應激力很強時，這些自發流動就會變成一種自生渦的混沌混合——稱之為主動湍流。研究人員專注於一種特定類型的活性流體：二維活性向列相液晶。它描述了實驗系統，如細胞單分子層，以及生物聚合物和分子馬達的懸浮液。大規模的模擬表明，活躍流動組織成一個特徵大小的無序渦流模式；研究了比渦旋特徵大小大得多的流動，發現，這些大規模流動的統計特性遵循明顯的標度律。
巴塞羅那大學複雜系統研究所(UBICS)的Jaume Casademut教授指出：我們證明了這種標度定律是普遍存在的，與活性流體的具體性質無關。這一標度律在活動向列相流體中與安德烈·科爾莫戈洛夫1941年經典湍流的標度律等價，但具有不同的指數。這是由無慣性粘性流動和活動流體內部自組織作用力共同作用的結果。
這項研究另一個引人注目的結果是：在給定的尺度上，所有由有源力注入的能量，都被相同尺度上的粘性效應所耗散。因此，與經典湍流形成鮮明對比的是，沒有能量可以轉移到其他尺度上。無論是在模擬中還是在分析中，研究人員都證明了一種最小的活動向列流體會以某種方式自組織，使得主動能量注入精確地平衡了每個尺度上的能量消耗。
博科園｜研究/來自：巴塞羅那大學
參考期刊《自然物理》
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