科學家在一個水箱中製造出了一個封閉的湍流球，這可能有助於回答一系列長期存在的問題。湍流就在我們身邊。從拿鐵咖啡中咖啡和牛奶的漩渦，到飛機機翼和汽車側面的空氣動力，甚至到瓣膜關閉後心臟中的血流，湍流無處不在。然而，我們仍未完全掌握其中的所有規律。

芝加哥大學的科學家們開創性地在水箱中製造出一個包含湍流的”球”，這在以前是從未有過的。上圖顯示了湍流球隨時間變化的平均能量密度。圖片來源：Takumi Matsuzawa

絆腳石之一是物理學家的傳統方法，他們通常喜歡脫離外部因素來研究現象。但說到湍流，就像攪拌一杯液體一樣，湯匙仍然是整個過程不可或缺的一部分，影響流體的行為。迄今為止，將湍流作為一個獨立變數隔離的方法還難以實現。

不過，芝加哥大學的一群科學家開創了一種在水箱中產生包含湍流的方法。他們使用環形噴射器噴射環流，直到形成一個孤立的湍流”球”並持續存在。

物理學家Takumi Matsuzawa（松澤匠）說：「這對我們來說是個驚喜，」他是描述這一發現的研究報告的第一作者，該報告發表在《自然-物理》（Nature Physics）上。這項研究的通訊作者威廉-歐文（William Irvine）教授說：”這就像平靜地坐在田野裡野餐，看著50英尺外的風暴肆虐。”

他們希望這項突破能為更好地理解湍流開闢一條新的研究途徑。

“湍流–不均勻混合物質中的混​​亂流動–是一個老問題。”歐文說：”它經常被引述為物理學中的一大未決問題。”

在過去的幾十年裡，科學家在描述”理想化”湍流狀態的行為方面取得了進展。也就是說，湍流沒有邊界等混雜變量，也沒有強度和時間的變化。但是，要理解現實世界中的湍流，還有很多東西要了解。

歐文說：「湍流在我們周圍隨處可見，但它一直無法得到物理學家認為令人滿意的描述。例如，如果你問，我能否預測戳穿這個湍流區域後接下來會發生什麼？答案是不能。即使使用超級電腦也無法預測。”

研究人員利用雷射和高速攝影機追蹤湍流。圖片來源：Takumi Matsuzawa

其中一個大問題是實驗中存在混雜變因。你可以透過管道快速噴射水流或在水箱中攪拌槳葉來製造湍流，但湍流總是與容器壁和攪拌器摩擦，從而影響實驗結果。

松澤、歐文和他們的合作者一直在用水箱做”渦環”實驗–就像煙圈一樣，只不過是在水中。當他們試圖將它們組合起來製造湍流時，能量通常會反彈回來，然後消散。

但是，一旦他們發現了一種特殊的構造–一個有八個角的盒子，每個角落都有一個渦環發生器–奇怪的事情就發生了。當他們反覆發射在中心交會的環時，他們看到一個自成一體、遠離箱壁的湍流球形成了。

這本身就是一個突破：”之前沒有人認為這是可能的，湍流非常善於混合液體；如果你把牛奶混入咖啡中，你只能攪拌一兩下就會完全混合，但我們能把它控制在原地，這讓人非常驚訝”。

獨立的湍流球可以讓科學家利用雷射和多台快速相機更精確地追蹤其參數。這包括它的能量和螺旋度（衡量環的糾結或”打結”程度），以及衝量和角衝量（相當於流體的動量和角動量）。

更重要的是，他們可以透過改變參數來玩弄它。他們可以改變送入的迴路是順時針還是逆時針旋轉的螺旋。他們可以改變輸入的能量，或停止添加環，觀察湍流的消散，或改變環的螺旋度，觀察湍流如何隨時間演變。

「湍流是如何消散的？它是如何膨脹的？它”記住”了什麼？能量如何跨尺度傳播？是否存在不同類型的湍流？我們可以提出各種各樣的問題，而這是提出這些問題的獨特環境，」歐文說。”我真的希望這能幫助我們在這一領域開闢出一片新天地。