湍流是個物理問題嗎？

01-15

總是看到類似「21世紀十大物理前沿」之類的話題。然而沒有見過有人介紹湍流相關的問題。為何物理學家對湍流不那麼感興趣？甚至有的學校物理系都不開流體力學這門課。

湍流被認為是經典物理學中最後一個未解決的問題。然而湍流的概念及其應用早已經超出了經典物理的框架，並延伸到了現代物理學研究的各個分支中。由於這是一篇概要性質、而非科普性質的回答，以下我僅僅是極為簡要地介紹了各領域中與湍流相關的一些物理研究課題，供題主參考：

1. 天體物理

湍流（尤其是磁流體湍流）涉及到天體物理中各個尺度的研究對象。在較大的星系團、星系的尺度上，湍流能量是反饋機制的重要來源（關於反饋機制的科普介紹，詳見天文學家是怎麼研究宇宙演化的？ - 季索清的回答 - 知乎）；在較小的尺度上，星際介質的湍流在很大程度上決定了恆星的形成，在密度的峰值上物質會由於引力不穩定性坍縮成恆星；在更小的尺度上，吸積盤機制的關鍵就是湍流的生成，湍流也充斥著恆星的內部。

（吸積盤中的湍流。圖片來源：yanfei-homepage）

2. 凝聚態物理

2016年的諾貝爾物理學獎頒給了拓撲相變方面的研究，而這一研究與超流（superfluid）問題相關（具體內容詳見問題2016 年諾貝爾物理學獎「拓撲量子相變」具體是在研究什麼？目前在國內外的應用進展如何？）。所謂超流，是黏度（visocsity）為零的流體，因此也極易形成量子湍流。下圖顯示了3維超流中的渦旋結構；有意思的是這種結構與宇宙弦（cosmic string）具有相同的數學性質，於是這又與引力物理、宇宙學關聯起來了。

（圖片來源：Quantum turbulence）

3. 高能物理

Reggeon field theory中通過有向滲透（Directed percolation）這一概念，將湍流與粒子散射聯繫在一起。我對這方面了解有限，有興趣的同學可以移步Directed percolation and Reggeon field theory繼續閱讀。

4. 生物物理

在生物物理中，湍流也是一個重要概念。除了關於生物體的研究涉及到湍流（譬如血液的黏度和湍流的關係及其對生物體的影響），生態系統中的種群行為也會表現出湍流的特徵。在下面的兩幅圖中，第一幅圖出自一篇流體力學論文，反映的是一段湍流的持續時間／兩段湍流的間隔時間和雷諾數的關係；第二幅圖出自一篇生物物理論文，反映的是一個被捕食種群的生存時間／兩次爆發增長的間隔時間和該種群繁殖率的關係。可以看出，兩者驚人地相似。

（圖片來源：The Onset of Turbulence in Pipe Flow）

（圖片來源：http://www.nature.com/nphys/journal/v12/n3/full/nphys3548.html ）

回到題主的疑問：如果我們放眼物理學研究的前沿，我們會發現湍流問題已經滲入到物理的諸多領域，物理學家們對湍流其實是非常感興趣的。

這個問題其實涉及到物理學專業與力學專業的差異。

先說結論：力學作為描述物質運動的普適定律的基礎學科，無疑屬於物理學。從某種意義上，可以說力學也是所有其他物理學分支的共同基礎。

物理學在努力推廣力學的適用範圍，努力加深人類對物理學基礎定律的理解。譬如：微觀的量子力學、高速的狹義相對論、強引力的廣義相對論。

下面的坐標系就向我們說明了各種現有力學理論的適用範圍。

而力學專業則是在經典力學的框架下不斷細化深入，不斷研究越來越複雜的系統。譬如湍流、非線性效應，譬如具體到導彈和航天器的動力學分析。

兩條路的研究範式差別比較大。比如說，力學系的學生可能完全不需要學對物理系來說最重要的量子力學，而同時物理系學生可能對力學系最重要的偏微分方程和非線性效應只有一個非常粗淺的認識。而且這兩條路都極其複雜，都足夠耗費一個人的一生。所以慢慢就「分家」啦。

――――――――

所以說，

錢學森是世界著名的____學家。（填空）

貌似雖然具體機制不明，還是公認湍流可以由流體力學的基本方程完全描寫，只是出現了失穩的情況。

這就造成了第一原理的做法過於數學，而基於經驗的做法過於實用。

不是相關領域的，還需要從業人士指正。

雖然是物理問題，但是會引起很多生理問題和心理問題，嚴重時可能會危及生命。。。。

個人理解：湍流狹義上是指流體力學中由於邊界層效應導致的流動不穩定現象。廣義上而言，可以泛指所有具有擴散對流特性的物理過程（甚至其他領域，比如生物學、社會學問題）中由於不可數學描述的複雜邊界造成的不穩定現象。

然後就是經典問題，流體力學到底屬不屬於物理學？按題主意思，應該是假設了流體力學屬於物理學，那湍流必然是個物理問題。

不能說物理學家不感興趣吧，實在是太難突破了。自從Kolmogorov的K41假設提出後，湍流在理論上就少有突破了，而更多的是在模型上，比如RANS，LES，上進行研究了。儘管計算科學發展迅猛，但是很多量，尤其是耦合量，是非常難以通過數值計算或者實驗求解的。這就需要物理學家從理論上進行解決。然而這一領域又極難突破，特別是當涉及到湍流燃燒就更為變態了。因此專門研究理論湍流的物理學家也就少了吧。一輩子出不了多少成果，怎麼養家糊口？

進一步的說，個人認為這已經不僅僅是一個物理問題了。很大程度上，這也是一個數學問題。NS方程的數學解釋對湍流問題的影響不可忽視。

太難搞，搞不起

除非有個天才突然找到突破口，那湍流又會變成理論物理研究熱點

搞流體力學的認為湍流是物理問題。