物理学家逆转了能量在湍流中的流动方向，扭动了一条80年的定律

在一层旋转的薄薄的水里，物理学家让能量倒着流了起来。它既没有像瀑布那样向越来越小的旋涡跌落，也没有向越来越大的旋涡攀升，而是随研究者的选择而定——取决于他们如何摆布那些搅动它的力。这一结果挑战了一条塑造流体物理八十多年的假设。

八十多年来，关于湍流的通行图景一直是一条单向的级联。在河流或开阔海洋的三维流动中，人们认为能量稳稳地从大旋涡下行到小旋涡，最终化作热量散去。而在薄薄的、近乎二维的层里，这条级联被认为会反转，由小旋涡反过来喂养更大的旋涡。无论哪种情形，方向似乎都由流体所栖身空间的几何所锁定。

这项新工作把方向从流动的维度中解开。研究者发现，决定方向的，是流体每一点上两个量的对齐：挤压它的应力，以及它因而经受的形变。调好力与位移之间的夹角，能量便可被推着沿尺度的阶梯向上或向下。容器的形状不再是宿命。

为了证明这一点，团队用磁力驱动一层很浅的导电液体，撒入示踪颗粒，并拍下它们如何运动。通过重新塑造施力的样式，他们在同一套装置里既造出了能量正向传递的流动，也造出了反向传递的流动。对同一装置所做的计算机模拟重现了这一切换——正是这种吻合，把一幅令人惊讶的图像变成了一次测量。

驾驭这条级联具有现实的延伸。能量在流体中流动的方向，主宰着各种东西如何在其中散布，因此引导它，或许能改变一段海岸如何驱散一缕污水羽流、一块微流控芯片如何为一次医学检测混合极微小的液量，又或能量如何在气候模型试图刻画的分层流动中穿行。

这次演示活在一个被精心控制、本质上二维的系统里，而不是一场风暴或一道深层洋流那种杂乱的三维湍流之中。对方向的同一种掌控能否在完全三维、高能量的流动里幸存下来，仍是一个悬而未决的问题，而从实验室托盘跨越到大洋，是一道很大的鸿沟。原理如今已经确立；它的适用范围还没有。

这项研究由匹兹堡大学牵头的团队、联合都灵大学完成，并发表在《科学进展》（Science Advances）上。该团队的下一步，是检验随着流动变得更厚、更富能量，这种通过张量对齐实现的掌控究竟能延伸多远——而真正的湍流，大多正栖身于那个区间。

标签: 物理

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