自然界中湍流無處不在，但直到現(xiàn)在才終于揭示：主動(dòng)湍流的普遍性質(zhì)！

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湍流是混沌的，但具有普遍的統(tǒng)計(jì)特性，近年來，在細(xì)菌懸浮液、上皮細(xì)胞單層、生物聚合物和分子馬達(dá)混合物等活性流體中發(fā)現(xiàn)了看似湍流的流動(dòng)。在《自然物理》期刊上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，來自巴塞羅那大學(xué)、普林斯頓大學(xué)和法國理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，活動(dòng)向列相流體中的混沌流動(dòng)，可以用獨(dú)特的普適標(biāo)度定律來描述。

湍流在自然界中無處不在，從恒星中的等離子體流，到地球上的大規(guī)模大氣和海洋流，再到飛機(jī)引起的氣流。湍流是混沌的，不斷地產(chǎn)生出現(xiàn)并分裂成較小的漩渦。然而，當(dāng)從統(tǒng)計(jì)意義上考慮這種復(fù)雜的混沌行為時(shí)，湍流遵循普遍的標(biāo)度定律。這意味著湍流的統(tǒng)計(jì)特性，在湍流的產(chǎn)生方式和觀察特定流體的特性（如其粘度和密度）方面都是獨(dú)立的。

科學(xué)家在活性流體的背景下重新審視了這一普適性概念，在活躍的湍流中，流動(dòng)和漩渦不是由某些外部因素（如大氣中的溫度梯度）的作用產(chǎn)生，而是由活躍的流體本身產(chǎn)生。這些流體的活性特性，取決于它們內(nèi)部產(chǎn)生作用力的能力，例如，由于細(xì)菌游動(dòng)或分子馬達(dá)對生物聚合物的作用。普林斯頓大學(xué)博士后研究員里卡德·阿爾特解釋說：當(dāng)這些活躍力足夠強(qiáng)大時(shí)，流體就會開始自發(fā)流動(dòng)，由活躍過程注入的能量提供動(dòng)力。

當(dāng)應(yīng)激力很強(qiáng)時(shí)，這些自發(fā)流動(dòng)就會變成一種自生渦的混沌混合——稱之為主動(dòng)湍流。研究人員專注于一種特定類型的活性流體：二維活性向列相液晶。它描述了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如細(xì)胞單分子層，以及生物聚合物和分子馬達(dá)的懸浮液。大規(guī)模的模擬表明，活躍流動(dòng)組織成一個(gè)特征大小的無序渦流模式；研究了比渦旋特征大小大得多的流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)，這些大規(guī)模流動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性遵循明顯的標(biāo)度律。

巴塞羅那大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)研究所(UBICS)的Jaume Casademut教授指出：我們證明了這種標(biāo)度定律是普遍存在的，與活性流體的具體性質(zhì)無關(guān)。這一標(biāo)度律在活動(dòng)向列相流體中與安德烈·科爾莫戈洛夫1941年經(jīng)典湍流的標(biāo)度律等價(jià)，但具有不同的指數(shù)。這是由無慣性粘性流動(dòng)和活動(dòng)流體內(nèi)部自組織作用力共同作用的結(jié)果。

這項(xiàng)研究另一個(gè)引人注目的結(jié)果是：在給定的尺度上，所有由有源力注入的能量，都被相同尺度上的粘性效應(yīng)所耗散。因此，與經(jīng)典湍流形成鮮明對比的是，沒有能量可以轉(zhuǎn)移到其他尺度上。無論是在模擬中還是在分析中，研究人員都證明了一種最小的活動(dòng)向列流體會以某種方式自組織，使得主動(dòng)能量注入精確地平衡了每個(gè)尺度上的能量消耗。

博科園｜研究/來自：巴塞羅那大學(xué)

參考期刊《自然物理》

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