我们每天都会经历湍流：一阵风、河流中的水流或飞机飞行途中的颠簸。尽管很容易理解导致某些湍流的原因——河中的树木被砍倒，或者熊在周围嬉戏捕食鲑鱼——但现在有证据表明，开始时的微小扰动可能会在以后产生巨大的影响。想象一根树枝，而不是一棵树，甚至是一个分子的旋转运动。

加州大学圣地亚哥分校校长杰出物理学教授NigelGoldenfeld与他以前的学生DmytroBandak以及AlexeiMailybaev和GregoryEyink教授在湍流理论模型中表明，即使是分子运动也可以在定义的范围内创建大规模的随机性模式。一段的时间。他们的工作发表在《物理评论快报》上。

蝴蝶效应

巴西的一只蝴蝶扇动翅膀，随后在德克萨斯州引发了龙卷风。尽管我们通常使用这个短语来表示我们自己的生活看似相互关联，但“蝴蝶效应”一词有时与混沌理论联系在一起。Goldenfeld表示，他们的工作代表了蝴蝶效应的更极端版本，该效应由数学家兼气象学家爱德华·洛伦茨(EdwardLorenz)于1969年首次描述。

“我们了解到，在湍流系统中，某一点的非常小的扰动将在未来的有限点产生放大的影响，但通过一种比混沌更快的机制。”

尽管这种放大的数学机制(称为自发随机性)大约在25年前就已被发现，但戈登菲尔德指出，“分子的随机运动(导致日常温度现象)可能会产生自发随机性，这一事实在我们之前并不知道。工作。”

回想一下河中的树枝，虽然您可能会注意到水流过树枝时出现了轻微的扰动，但您不会期望它会在下游产生大量的湍流(通过涡流和漩涡)。但这正是戈登菲尔德论文所表明的内容。他解释说，这种机制被称为自发随机性，因为即使预计流体运动是可预测的，随机性也会出现。

此外，不可能精确定位最初引发涡流和漩涡的细枝。事实上，树枝所在的水流可能根本没有受到干扰。

该团队的研究结果还表明，无论最初的干扰如何，自发随机性都会发生。无论是一根树枝、一块卵石还是一块泥土，你在大范围内获得的随机性都是相同的。换句话说，随机性是该过程固有的。

该团队使用热噪声作为计算系统，因为它始终存在——在放大器的嘶嘶声中很明显。这种噪音是电子设备内部电子移动的声音。在流体中，运动的是分子而不是电子。

尽管纳维-斯托克斯方程是计算湍流的标准模型，但使用完整的流体方程来模拟令人信服地证明团队主张所需的非常极端的湍流事件在计算上是不可行的。

相反，他们使用了一个简化的方程，并在此过程中表明，微米(百万分之一米)尺度的扰动可能会导致整个流体系统以一种不依赖于扰动来源的方式表现出自发随机性。

“目前，这必须做，”戈登菲尔德说，“但我们希望未来的超级计算机计算能够使用完整的流体方程来确认我们的结果。”

预测未来和过去

“对湍流的预测存在着根本性的限制，”戈登菲尔德说。“你可以从天气预报中看到这一点;随机性总是有一个基本来源。在我们的工作之前，我们并没有完全理解这种不可预测性是不可避免的确切含义。”

正是这种随机性使得提前几个小时准确预测天气变得非常困难。气象站对选定地点的天气进行采样，然后计算机模拟将它们拼接在一起，但如果不知道现在各地的确切天气，就很难预测未来各地的确切天气。本文暗示了基本限制可能永远存在的可能性，因为随机性总是会出现。

这也可能对天体物理学研究产生影响。科学家们已经了解到，对星系如何形成以及宇宙如何演化的计算机模拟对噪声很敏感。通常，恒星、行星和星系的行为无法轻易解释，可能归因于戈登菲尔德和他的同事发现的微观噪音。

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