硬核科普是什么意思(硬核科普博主)
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1966年3月5日，一架波音707飞机在日本羽田国际机场顺利飞离地面。这架飞机属于英国海外航空公司，航班号其实是911。喜欢玄学的朋友，你又多了一个素材。
飞机起飞后不久，机长非常高兴地通知乘客“由于天气原因，空管局改变了本次航班的航线。我们将飞越富士山。希望所有乘客不要错过从高空俯瞰富士山美景的机会。”
机舱里响起了几声欢呼。要知道，那时候坐飞机还是一件稀罕事。对于机上的124名乘客和机组人员来说，在高空看到富士山是一次难得的机会。
几分钟后，飞机爬升到5000米高空，天空晴朗。美丽的富士山出现在乘客面前，靠近过道的乘客向舷窗方向伸长了脖子。
就在这时，飞机突然剧烈颠簸起来，剧烈程度是一个有六年驾龄的机长从未遇到过的。
坐在飞机尾部的乘客惊恐地透过舷窗看到，飞机的尾舵竟然在剧烈的晃动中啪的一声折断，然后迅速撞向飞机左侧的升降舵，升降舵也瞬间断裂。两个重要的方向舵就这样与机身分离，瞬间消失在视野中。
然后，更可怕的事情发生了。悬挂在机翼下的四个发动机也在剧烈的晃动中一个个脱落。此时的飞机就像一只飞行中失去羽毛的大鸟。它完全失去了控制，摇摇摆摆地倒在地上，撞向地面。机上124人全部遇难，无一幸免。
这架飞机到底遇到了什么？为什么会在这么晴朗的天空下解体？
这是航空业的噩梦，3354晴空乱流。
虽然现在飞机机身强度不太可能被乱流瓦解，晴空乱流导致的飞行事故还是时有发生。最新的报道是，2015年8月11日，海南航空一架从成都飞往北京的航班在下降到4200米高空时遭遇强烈晴空湍流。
据车上乘客回忆，有乘客没系安全带直接被弹到天花板上，砸破了天花板。此次事故共有30人不同程度受伤。
根据国际航空运输协会的统计，在非致命的飞行事故中，晴空湍流是造成乘客和机组人员受伤的最大原因。
很多人可能会想，现在科技这么发达，难道不能提前预测航行前方会有晴空湍流来规避吗？会不会有人今天看了我的故事以后就不敢坐飞机了？
目前确实没有办法做到这一点。为什么？
这是今天的主题——湍流。
有一个广为流传的故事。著名理论物理学家海森堡在临终时说
“当我见到上帝时，我必须问他两个问题。什么是相对论？什么是湍流？我相信上帝只能回答第一个问题。”
这么戏剧化的语言，我不太相信一个75岁的德国人能想出来，但不管怎么说，这句话一定给你留下了动荡的印象。
物理学家费曼在1963年的一篇文章中写道
“，还有一个很多领域都普遍存在的物理问题。很老了，一直没有解决。不是发现新的基本粒子，而是一百多年前遗留下来的东西。虽然这个问题在科学上非常重要，但在物理领域还没有人能够给出令人满意的数学分析。这个问题就是对湍流的分析。”
那么，我们先来了解一下什么是湍流。
这是流体力学中需要解决的经典问题。对于物理学家来说，流动的液体和气体其实区别不大，都是流体。
现实生活中，动荡的现象随处可见。在小溪里，到处都可以看到波光粼粼的水。在波光粼粼的水面上，有无数的小漩涡。很多时候，一片流动的水遇到小障碍物，就会变得闪闪发光，从层流变成湍流。
气体的湍流也随处可见。如果我们观察一炷香冒出的白烟，你会看到白烟一开始是柱状的，上升到一定高度后，烟变得不稳定，形成湍流。
实际上，，地球的整个大气是一个湍流系统。木星表面的斑点其实是气体漩涡，整个木星表面也是典型的湍流系统。
物理学家早就观察到
当流量很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流或层流。
逐渐增大流速，流体的流线开始出现波状振荡，振荡频率和振幅随流速的增大而增大，这种现象称为过渡流。
当流速增大到较大水平时，流线不再清晰可辨，流场中出现许多小旋涡，称为湍流。
从各种尺度来看，湍流是一种在时间上无序但在统计上有规律的运动。
所谓湍流问题，就是对流体的整个过程进行数学建模，使人类能够准确地知道湍流产生的原因，并预测其趋势。，如果给定初始条件，能否算出湍流如何、何时、多大、何时结束等。
人类湍流的研究已经持续了200年，已经成为经典物理中的一个著名的坑。不知道有多少青年才俊一头扎进这个坑里再也爬不出来，后悔终生。
这个问题的解决方案，
说白了就是能让飞机飞的更顺畅，天气预报更准确。
说白了，它甚至可以帮助天文学家模拟星系团的运动，解答关于各种天体形成的谜题。
大约200年前，Navier-Stokes方程从理论上描述了流体的物理性质，也简称NS方程。这个方程的表达式我就不写了。普通人不需要这么精通。
我们只需要知道这个方程是非线性的。所谓非线性，就是因变量和自变量之间的关系不是线性的，画出的函数图不能用直线来表示。一般很难找到非线性方程组的精确解，只能找到近似解。
这个NS方程就更难解了。在大多数情况下，它的解是不稳定的，这导致了流动的多次分叉，形成了复杂的流型。方程的非线性耦合了不同尺度的流动，不可能单独研究它们。
，工程师和科学家通常使用一些简化的理论模型或借助数值模拟来预测流体的运动。
一个世纪以来，数学家们对ns方程做了大量的研究，但成果寥寥无几。
看来，虽然进一步研究NS方程的数学性质很重要，但依靠它来解决工程技术中的湍流问题恐怕是不现实的。
如果你熟悉解数学方程，你可能会想
现在不是有大型电脑吗？如果方程没有解析解，那么我们可以用计算机逐个寻找特解，数值模拟NS方程。
就像有一把锁。我用所有可能的钥匙开锁，然后一把一把地试。中间的原理我不用懂。反正试一个键算一个。
，这个想法是对的。其实为了得到更好的飞机或船舶的水动力外形，我们在不断的做实验，积累数据，然后不断的修正。这在工程数学里叫拟合，没办法。
，湍流问题仍然比我们想象的要复杂得多。如果要用这种方法来计算飞机和舰船的完整流场，包括其边界层的湍流，那么计算机的速度和存储容量至少要提高两个数量级，即100倍以上。
目前来看，还是很不现实的。
20世纪40年代初，俄罗斯数学家Kolmogorov提出了“湍流能级”的各向同性理论，该理论可以描述能量从大涡旋转移到小涡旋的情况。也就是说，用他的方法，可以研究出大涡破成小涡，然后小涡破成更小的涡，这样一层层向下循环。
动能的传递就像一场跑步接力赛，只不过每次交接的运动员变小了，数量会变多，动能会靠分子的粘性以热能的形式耗散掉。
根据这一假设，Kolmogorov建立了湍流的初步数学模型。他相当于把一个大问题分解成很多小问题，也就是现在他只研究这个大漩涡的能量在每个大漩涡分解成几个小漩涡之后是如何转移和消散的。当最小单元明确后，就可以拼成一个完整的湍流模型。
这个想法是好的，但这个方法必须对大漩涡是如何爆发的做出一些基本假设。Kolmogorov的数学模型基于几个未经检验的假设。
换句话说，他的方法只能解决一些理想化情况下的湍流问题，但真实情况比这些理想化情况要复杂得多。科里奥利模型的缺点也很明显。
虽然这是一个如此古老而重要的问题，但由于其难度明显，许多物理学家不敢轻易触及。
我在知乎上看到一个物理专业的人回答“为什么搞湍流的科学家这么少”说
“不能说物理学家不感兴趣，太难突破了。尤其是遇到湍流燃烧，就更不正常了。所以专门研究湍流理论的物理学家比较少。想想如果一辈子都出不了成绩怎么养家？”
另一位用户跟帖说
“虽然是生理问题，但会引起很多生理和心理问题。”
另一个人用线头说
“除非有天才突然找到突破口，否则湍流将成为理论物理研究的热点问题。”
本帖发表于2017年3月19日。
他大概没想到的是，差不多5个月后的8月17日，在著名杂志《科学》上发表了一篇论文，引起了物理学界的广泛关注。
西班牙马德里理工大学航空工程师何塞卡多萨(Jose Cardosa)领导的研究小组通过模拟实验解决了湍流的一个长期问题能量如何在湍流中运动和消耗。
Katesa和他的同事宣布，他们成功模拟了动能在小尺度涡流和湍流中更小的涡流中是如何传递的。
比如在一个装满水的大水缸里，通过他们的计算和模拟，我们可以在1分钟左右的时间里，监测到能量是如何从一个直径为1米的漩涡输送到许多直径为12厘米的小漩涡的。
在实验过程中，研究人员采用直接数值求解方法，通过求解不可压缩流体的NS方程，模拟三维周期立方体中的各向同性湍流。研究小组研究了4个不同尺度的涡旋，它们的尺度是2倍。他们的研究成果实际上验证了Kolmogorov的理论，并在他的基础上进行了扩展。
他们将继续研究1.5倍和3倍涡的能量耗散，从模拟的角度直观地给出湍流的物理模型。
2017年，在数学理论方面，包括瑞士苏黎世大学和德国莱比锡大学在内的两位数学家发现了一些更实用的数学解，即可以描述流体在初始状态下变慢的过程。
，以前许多流体运动的数学解都是从静止开始，然后突然运动，然后突然停止。显然，这样的解决方案不能很好地反映现实。
湍流问题的伟大梦想是找到一个比Navier-Stokes (NS)方程更简单的湍流模型，适用于所有情况。这个梦想能不能实现，可能要看年轻的朋友了。
我特别希望在未来的某一天，我会很高兴地告诉大家“中国人在动荡中取得了突破”。那将是多么美好的一天啊！
你真的完了吗？分数很重要。
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