一项新研究的结果最终可以为我们提供湍流的“时间表”：

有了正确的物理学，就有可能以精确的精度将一盒电路炸开穿过太阳系，使其进入遥远世界的胡须范围内。

但是在你的茶里搅拌一点牛奶，然后物理学家能做的最好的事情就是冒险猜测你会在饮料中看到的各种模式。

就科学而言，流体确实是混沌元素，但是一种计算它们运动的新方法可以很快就会使它们的流动更加可预测。

科学家不仅可以利用它来提高我们对流体动力学的理解，而且可以使从天气预报到车辆设计的一切都变得更加准确。

佐治亚理工学院的物理学家表明，可以识别湍流反映可测量模式的时刻，有效地在混乱中找到数学规定的闪烁。

“近一个世纪以来，湍流一直被统计描述作为一个随机过程，”Georgia Te 说ch 物理学家 Roman Grigoriev。

“我们的结果提供了第一个实验说明，即在适当短的时间尺度上，湍流的动力学是确定性的——并将其与潜在的确定性控制方程联系起来。”

湍流很难预测，这主要是因为小漩涡或漩涡在流体中形成的方式。当物质在平稳的水流中沿直线流动时，很容易预测其速度和轨迹。如果水流中的任何路径变得迟缓，可能是因为沿着移动性较差的表面被拖动，流体将自行卷回。

随着每一个新的卷曲水流，都会形成一个新的表面，从而产生新的涡流。

让事情变得更加复杂的是，每个涡流的行为都受到许多因素的影响——从压力到粘度——迅速累积成茶杯中的暴风雨，任何计算机都无法跟踪.

近看，这一切似乎都是随机的。退后一步，统计数据清楚地表明了 o整个过程仍然牢固地嵌入支配宇宙中所有其他运动物体的相同旧规则中。

“湍流可以被认为是汽车沿着一系列道路行驶，”Grigoriev 说。

“也许更好的类比是火车，它不仅按照规定的时刻表沿着铁路行驶，而且形状与它所行驶的铁路相同。”

就像我们模拟的铁路一样, 可以将湍流描述为数值模拟或物理模型。正如火车时刻表对于让您准时上班很有用一样，如果您想要获得可靠的预测，坚持使用湍流的数学方法是唯一的方法。

不幸的是，所有这些数字都可以很快加起来，使计算成本很高。

为了看看是否有一种方法可以简化预测，该团队设置了一个带有透明壁和含有微小荧光颗粒的液体的水箱。在一对独立的 r 之间引导流体旋转圆筒并跟踪发光的内容就像实时观看火车驶过车站。

但是，研究人员实际上需要先想出时间表，看看哪些与他们所看到的相似。

这样做涉及对近 200 年前设计的一组方程式的计算解决方案。通过将实验与数学结果相结合，该团队可以确定称为相干结构的特定湍流模式何时出现。

虽然它们经常出现在移动的流体中，但相干结构的时间是不可预测的。在这个特定的设置中，相干结构遵循由两个频率组成的准周期模式——一个频率围绕流动的对称轴倾斜，另一个基于周围电流的另一组偏移。

虽然这不是一组简单的方程式可以描述所有形式的湍流，但它确实证明了连贯性的作用结构可以使它们更具可预测性。

通过扩展这项工作，未来的研究可以使它们的湍流“时间表”更具动态性，比统计平均值更详细地描述它们。

“它可以使我们能够显着提高天气预报的准确性，最值得注意的是，它可以预测飓风和龙卷风等极端事件，”Grigoriev 说。

“动态框架也是对于我们设计具有所需特性的流动的能力至关重要，例如，减少车辆周围的阻力以提高燃油效率，或增强质量运输以帮助在新兴的直接空气捕获行业中从大气中去除更多的二氧化碳。”

它甚至可能最终会告诉您下一杯茶会看到什么。

这项研究发表在 PNAS 上。