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席卷六合 美玉微瑕 | 流体江湖风云录·柯老邪篇(叁章)

知识分子  · 公众号  · 科学  · 2017-01-14 08:16

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在科学发展史上,不乏有这样一些理论,它们的光芒绚丽夺目,如一盏明灯,驱散了当世的黑暗,点亮了后世的道路。然而,当你回首来时路,却发现理论的创立过程似乎平凡至极。它们如同萧峰随意挥洒的太祖长拳,杨过大巧似拙的玄铁重剑,看似平淡无奇却又威力无穷。


柯老邪的K41理论也正是如此。他以一个物理假设为起点,以能级串过程为基础,将问题层层肢解,直击湍流的要害。整个过程一气呵成,既无纷扰繁复的数学推导,亦无艰深晦涩的数学证明。是何原因,让一个严谨的数学家敢于做出如此大胆的物理设想呢?


古人云:格物致知。柯老邪对于湍流物理模型的推测首先要归功于他对实验数据分析的数年之功。在专著“数学与力学”中,他这样回忆自己初涉湍流领域时的想法:“我很快便意识到想要建立一套严格的纯数学理论是不可能的。因此根据实验数据的分析来建立一些假想是湍流研究的必经之路。 (It soon became clear to me that there was no chance to develop a closed purely mathematical theory. For lack of such a theory it was necessary to use some hypotheses based on the results of treatment of experimental data.) ” 柯老邪虽然自己不做实验,却对于收集和分析实验数据乐此不疲。在K41理论建立的三十年后,柯老邪还以暮年之身远航全球,为收集海洋湍流数据不懈努力着。


其次,柯老邪深厚的数学理论功底也不可或缺。今世的大多数流体力学教科书,提及K41理论必称其为量纲分析之典范,如此或可使学生对于2/3律的推导过程有一个直观的了解,却往往忽视了柯老邪基于纳维-斯托克斯方程对于湍流场分析的理论之功。提及这一时期莫斯科学派对湍流的理论分析,有两项工作不得不谈。


其一为奥布科夫于1941同年所发表的关于湍流能量谱的文章。基于柯老邪前一年对概率论中随机过程能量谱的阐述,奥布科夫从纳维-斯托克斯方程出发建立了湍流能量谱的半经验式方程。此方程描述了这样的物理过程:湍流能量在某一尺度上随时间的变化与不同尺度涡结构相互作用以及小尺度粘性耗散有关。


通过求解此方程,奥布科夫得到了与2/3标度律所等价的湍流能量谱表述:E(k)~k -5/3 (k为波数,即尺度的倒数) 。这两篇文章于1941年同时发表。或许由于柯老邪的方法更为简洁明晰且适用度更为广泛,世人对其更为青睐,因而忽视了奥布科夫的贡献。但柯老邪本人却对奥布科夫的工作十分尊敬,言必称K41理论是他与奥布科夫共同所创,是以应称之为KO41理论更为妥帖。


其二为米林斯奇科夫于1941年所得到的对于湍流脉动速度二元关联函数的控制方程。这项工作推导了脉动速度关联函数的逐级表达方式,并通过四元函数与二元函数的联系使控制方程闭合。其方法可视为后世计算机湍流模拟的鼻祖之一,功莫大焉。


而在同时代的中国,一位物理学家于1940年在“中国物理学报”上发表了题为“论雷诺求似应力的方法的推广和湍流的性质”的文章,其方法与米林斯奇科夫有着异曲同工之妙。此人就是周培源先生,这也正是他被尊为“湍流模拟之父”的原因。



周培源(1902 - 1993)


一招平淡无奇的量纲分析背后竟然蕴涵着如此深厚的理论与实验之功。所谓重剑无锋,大巧不工,剑招的威力并非在于剑锋,而在于用剑之人的修为。唯有修为至深之人,方能化繁为简,以拙胜巧。


更为有趣的是,据柯老邪弟子亚格洛姆回忆,米林斯奇科夫并非随机场领域的专家。亚格洛姆因此推断1941年关于湍流脉动速度关联函数的文章一定是柯老邪亲力亲为的结果。米林斯奇科夫同时期的另一名弟子谢尔盖·福明 (Sergei Fomin) 则证实了亚格洛姆的这一推测。无独有偶,类似的事情也发生在亚格洛姆本人身上。1956年,柯老邪在一篇有关信息论的文章中宣称其引入的某方程乃亚格洛姆之首创。而亚格洛姆本人却对此毫不知情,直至看到柯老邪的文章后才意识到这个方程的存在。当柯老邪被问及此事时,他含糊地回答说:自己的想法是在跟亚格洛姆某次谈话之后产生的,因此这个方程应该归功于亚格洛姆。


诸如此类的莫名之喜在柯老邪的弟子中比比皆是。而对于柯老邪,或许其真正伟大的力量来源于心底的无私。


呜呼哀哉,纵观当今天下,虚誉欺人而利欲熏心者有之,不学无术而摇唇鼓舌者有之,百无一能而大言不惭者有之,粗鄙龌龊而畏强凌弱者有之。江湖之上,投器使毒者众多,内修外敛者罕有,实可叹大师凋零,人心不古也。



美玉微瑕


如果从一个很大的时间尺度上看历史,似乎一切都按部就班,循规蹈矩。而如果身处某一时代的小尺度中,却很难不被时代的任何异动所惊扰,仿佛一切都是这个时代跟人类开的一个个玩笑。物理学的发展亦是如此,在山重水复中柳暗花明,在一片坦途上却又枝节横生。


我们看到,在湍流这片混沌未开的乱世江湖中,柯老邪凭借一招量纲分析独创K41理论,剑携万钧之势,隐隐有包举宇内,席卷六合,并吞八荒之意。天下学派云集响应,似乎一统江湖即日可期。在如此大好形势之下,谁又能料想,前路依然荆棘密布。而这一切困难险阻,都来自于K41理论创立之初的一点隐忧。


1942年苏联科学院的一次研讨会上,柯老邪进行了一次K41理论的专题报告。到场的听众中,有一位显得卓尔不群。他身材瘦削,已显灰白的头发蓬松凌乱,然而双目如炬,似能洞悉一切。


此人名为列夫·朗道 (Lev Landau) ,乃当世苏联最杰出的理论物理学家。以修为之全面而论,朗道在物理学上的造诣或许并不输于柯老邪在数学上的广博。









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