|
楼主 |
发表于 2024-8-27 00:24:39
|
显示全部楼层
李政道先生在不久前去世了,这里介绍一下他在流体力学湍流研究领域中所作的重要贡献吧!我以前曾在科学网介绍过他的这一贡献,但并没给出他论文的出处。湍流领域中有一重要的工作就是柯尔莫戈罗夫在1940年代初根据大尺度涡旋到小尺度涡旋及至分子尺度耗散的能量串级的能谱分布理论。当时包括海森堡、李政道等的一些著名物理学家也对此领域内关于能量串级过程的具体形式进行过研究。但李政道在他1951年的一篇论文中指出:柯尔莫戈罗夫关于能量串级的理论在二维流动中其实并不成立。也就是说,二维流动中能量并不是或即不可能仅从大尺度涡旋到小尺度涡旋进行单向传递。这一指出二维湍流本质上不同于三维湍流的研究工作应该属于高质量、具有重大意义的工作。
有点遗憾的是李政道的这一工作很少被人引用,现代研究湍流的人们应该是都不知道他的这一贡献。我猜测的原因大概是两个:(1)从他论文的字面上看,李政道直接否定了柯尔莫戈罗夫的工作,可能也就引起了柯尔莫戈罗夫的徒子徒孙们的抵制;(2)两年后,也即1953年,R. Fjortoft(从正面直接)具体证明了二维流动中能量是如何不可能从大尺度到小尺度涡旋进行单向传递。之后的人们也就是只知R. Fjortoft而不知李政道对这一具体专题的贡献了。
那么,我又是如何知道的呢?我在这一帖子上面的162楼中说到曾庆存的时候,还说到了“美国近代最著名的气象学家J. G. Charney”。J. G. Charney在1970年代初的一个关于大气动力学的夏季讲习班上的讲义被收集发表了。在他的讲义中说到能量串级时,他是这么开头的:
Energy cascades from large to small scales in three-dimensional turbulent flow are due to eddy diffusive separation of fluid particles bringing about elongations of vortex tubes and increases of vorticity on ever smaller scales. Such elongations and vorticity increases are forbidden in two-dimensional incompressible flow, so that, as T. D. Lee* pointed out, one does not expect an unlimited energy cascade. The following simple but penetrating proof of this assertion was given by Fjortoft.**
可以说,在J. G. Charney的讲义中,他客观、公正地引用、介绍了李政道和Fjortoft的工作或贡献。
这位Fjortoft,据说是比Charney还要聪明的科学家。我在下一个帖子中还专门说到了他:
[趣闻轶事] 漫谈“创新有风险,改行多失败”
https://www.cfluid.com/forum.php?mod=viewthread&tid=214538
在上面162楼中提到的曾庆存的专著中自然也引用了Fjortoft发表于1953年的那篇重要论文了。Fjortoft的证明是在直角坐标下进行的,而曾庆存的专著中则把Fjortoft的证明拓展到了球面坐标系。曾庆存引进了“尺度守恒”的概念(术语)以给出Fjortoft结果的更直观的解释:
“可见,这种模式大气[即二维球面大气]的运动和三维湍流过程有本质的差别。在三维湍流中,能量不断向小尺度运动转移,结果是运动的尺度愈来愈小,运动场愈来愈紊乱。而这种模式的运动则始终是‘有规律性’、不紊乱的。 .............. 即有完全的‘尺度守恒性’。流线既不能愈来愈乱,也不能愈来愈平直。由此也可以看到自转球面上的相对运动与这种运动(可忽略自转的影响)的差别。大气中非带状扰动的能量能够向带状西风环流转移从而使西风增强,正是在球面上科里奥利力作用的结果。”
参考文献:
Charney, J. G., 1973: Planetary Fluid Dynamics. In: “Dynamic Meteorology,” P. Morel (Ed.), pp. 97-352. Reidel, Dordrecht, Netherlands.
Fjortoft, R., 1953: On the changes in the spectral distribution of kinetic energy for two dimensional, nondivergent flow. Tellus, 5, 225-230.
Lee, T. D., 1951: Difference between Turbulence in a two-dimensional fluid and in a three-dimensional fluid. J. Appl. Phys. 22, 524.
曾庆存,1979:数值天气预报的数学物理基础,第一卷,543页,科学出版社。
|
|