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經典力學最後一個難題,困擾科學家100多年,直到今天仍沒解決


「湍流」被稱為經典力學的最後一個難題,但是湍流問題讓科學家「望而生畏」,物理學家費曼認為湍流是經典力學尚未解決的難題中最重要的一個,和理論物理的難題不同,科學家知道解決湍流難題的方法,卻沒有能力揭開謎底。

湍流是一種流動狀態,當流體的流速達到一定程度後就會產生「湍流」,湍流的中文含義可以很好的解釋這個運動狀態:「湍急的水流」,湍流之難在「混沌」和「非線性數學」, 在自然界中湍流現象十分常見,不僅僅是湍急的河流,氣流也會產生湍流,並且要比水流更加難以預測。

湍流的出現對於人類來說有利有弊,比如飛機在運動時會產生湍流,這些湍流可以強化能量的傳遞和反應過程,而代價就是增大摩擦阻力和能量的損耗,如果可以完美的預測湍流,可以幫助人類節省大量的能量。

湍流可以給人一種複雜的美感,最具有代表性的例子就是木星的大氣層,就像是一幅油畫一樣充滿了混沌之美,而湍流最大的難題就是無法預測的混沌,任何一個小小的擾動信號都會在湍流中被不斷的放大,想要預測湍流,就像是預測一個瀑布中每一滴水的運動軌跡一樣,計算量超乎想像的龐大和複雜。

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因為龐大的計算量,想要研究湍流必須用統計力學,再用理論結合計算和實驗,但是已經一百多年過去,湍流仍然沒有一個精確的解釋,很多基本問題和技術難題都無法解決。

湍流問題的根本是「納維-斯托克斯方程」的統計解,只要解開這個方程就可以得到一切的答案,但是因為計算量的龐大和混沌的不可預知性,暫時沒有人可以解開這個方程。

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前文已經提到過,在湍流中任何一個微小的擾動都會被放大,這也是湍流難以預測的最大原因,可是隨著計算機的出現,湍流問題已經在很大程度上得到了解決,雖然無法完美預測,但是已經可以在一定程度上對湍流的混沌做出判斷。

湍流難題具有現實意義,解決這個難題可以幫助人類節省能源,加快交通工具的移動速度變相節約成本,也可以幫助人類更好的認識自大自然。同時湍流難題也在提醒物理學家不要太好高騖遠,比起研究宇宙的本質,解決這些眼前的難題可能更好一些。

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