在流體力學(xué)的江湖中，有一位如“風清揚”一般的大俠，他不是站在聚光燈下的掌門宗師，卻以驚世駭俗的劍法，在一個幽深的山谷里，改寫了整個武林的規(guī)則。

他曾是愛因斯坦的助手，卻選擇歸隱山林；他用量子場論破解湍流，預(yù)言了能量逆流；他游離于傳統(tǒng)江湖之外，卻傳下了一套改變江湖的“獨孤九劍”，他就是Robert Kraichnan。

撰文丨盧比與鋼蛋

名門正派的少年天才

Kraichnan出生于1928年的費城。13歲那年，當大多數(shù)孩子還在為代數(shù)頭疼時，他已經(jīng)開始自學(xué)廣義相對論。

1947年，18歲的Kraichnan在MIT完成本科畢業(yè)論文，題目是《線性引力場的量子理論》。這篇論文提出：從無質(zhì)量自旋2粒子的線性理論出發(fā)，可以通過自洽的方式推導(dǎo)出非線性的廣義相對論方程。這一思路，后來成為量子引力研究的重要方法。

博士畢業(yè)后，他如愿進入普林斯頓高等研究院（IAS），并于1949年至1950年間，擔任愛因斯坦的助手。這是一段極具意義的經(jīng)歷。在普林斯頓，Kraichnan近距離觀察了這位物理學(xué)史上最偉大的物理學(xué)家。

愛因斯坦在普林斯頓的狀態(tài)，深刻影響了Kraichnan的一生。他曾回憶：

“愛因斯坦不需要任何機構(gòu)，他只需要一張桌子、一支筆和一個黑板。”

然而，命運總是充滿戲劇性。1950年，當時Kraichnan正在協(xié)助愛因斯坦尋找統(tǒng)一場論的高度非線性、類粒子解。他意識到自己對自己正在做的事情沒有真正的理解，于是轉(zhuǎn)向納維 - 斯托克斯方程，將其作為一個可以用來檢驗非線性場論的問題。

有趣的是，愛因斯坦本人也曾經(jīng)建議他這樣做。據(jù)Kraichnan的學(xué)術(shù)傳人回憶，愛因斯坦曾告訴他：

“不要做廣義相對論了，去做流體力學(xué)吧。”

于是，Kraichnan轉(zhuǎn)向了流體湍流——這個讓他“陷進去”五十余年的領(lǐng)域。

劍走偏鋒：把量子場論引入湍流

1950 年代的湍流研究，大致可以分為兩派：

• 實驗派：在風洞里測量速度脈動，歸納經(jīng)驗公式。
• 唯象派：以柯爾莫哥洛夫（Kolmogorov）的K41理論為代表，用量綱分析給出能譜的-5/3冪律。

而身負量子場論的Kraichnan直指湍流的本質(zhì)：湍流是無數(shù)不同尺度的渦旋之間復(fù)雜的非線性相互作用。而量子場論，恰恰是處理非線性相互作用的“武林秘籍”——費曼圖、微擾論、格林函數(shù)，這些工具天生就是為了處理“一個場如何與自己相互作用”而生的。

于是，在1957年至1958年間，Kraichnan發(fā)展出了直接相互作用近似（Direct Interaction Approximation, DIA）。這是一套不依賴可調(diào)參數(shù)的統(tǒng)計閉合理論。它引入了“響應(yīng)函數(shù)”的概念，用場論的語言重新描述了湍流能量級串的動力學(xué)。

這套理論太超前了，當時湍流學(xué)界的反應(yīng)，可以想象為：一個華山派的劍客，突然使出了一套全真教的內(nèi)功心法。大家看不懂，也不愿意看懂。Kraichnan并不在意。他繼續(xù)推演。

思過崖上的頓悟：逆能級串的誕生

1962年，Kraichnan做出了一個令所有人震驚的決定：他離開了紐約大學(xué)庫朗研究所，放棄了終身教職，成為一名獨立科學(xué)顧問。他搬到了新罕布什爾州的農(nóng)村，住在一棟簡樸的房子里，依靠美國海軍研究辦公室（ONR）的資助，獨自繼續(xù)他的研究。

他曾私下表示，自己“只想坐在山坡上想物理，而不是坐在會議室里聽報告”。他厭倦了爭取經(jīng)費的繁瑣和學(xué)術(shù)政治的束縛。更重要的是，他認為湍流這樣的難題，需要的是長時間地沉浸在一個問題里，不被任何瑣事打斷。而ONR允許將經(jīng)費直接撥給個人，不要求短期成果，恰好為這種“獨立學(xué)者”模式提供了可能。

于是，Kraichnan開始了他的隱居生涯。他每天在山間徒步數(shù)小時，在行走中推演方程。他曾說，自己最好的想法，都是在新罕布什爾的山丘上想通的。

1967年，就是在這樣的“思過崖”上，他悟出了一套絕世劍法。

逆能級串：能量竟然可以“逆流而上”

熟悉流體的朋友都知道，在三維空間中，能量總是從大尺度流向小尺度。比如，你攪拌一杯咖啡，大漩渦碎成小漩渦，小漩渦再碎成更小的漩渦，最終在微觀尺度被粘性耗散為熱能。這就是著名的“能量級串”（Energy Cascade）。

柯爾莫哥洛夫的K41理論，描述的就是這個過程：能量從注入尺度開始，一級一級向下傳遞，能譜呈現(xiàn)-5/3冪律。

但Kraichnan問了一個所有人都沒想過的問題：如果流體被限制在二維平面會發(fā)生什么？

他用量子場論的“內(nèi)功”推演，得出了一個反直覺的結(jié)論：在二維湍流中，能量不會流向小尺度，而是會反向流向大尺度——從小渦匯聚成大渦。

這就是著名的逆能級串（Inverse Energy Cascade）。

要理解這個結(jié)論，我們需要引入一個概念：擬渦能（Enstrophy）。擬渦能，就是渦量的平方。你可以把它理解為流體“旋轉(zhuǎn)強度”的度量。

在三維湍流中，渦管可以被拉伸（就像旋轉(zhuǎn)的滑冰運動員收回手臂），渦量可以改變，因此擬渦能不守恒。能量是唯一的守恒量，它可以自由地向小尺度傳遞。

但在二維湍流中，情況完全不同。流體微團只能在一個平面內(nèi)運動，無法被拉伸。因此，在無粘、無外力的情況下，每個流體微團的渦量是嚴格守恒的——這意味著總擬渦能也是守恒的。

于是，二維湍流面臨一個困境：如果系統(tǒng)像三維一樣，把能量向小尺度傳遞，就會迫使渦量被不斷擠壓到更小尺度，導(dǎo)致擬渦能急劇增大乃至發(fā)散，出現(xiàn)湍流版的“紫外災(zāi)難”。但擬渦能又必須守恒，唯一的出路是分流。

Kraichnan通過統(tǒng)計力學(xué)推演得出，二維湍流必須同時進行兩個過程：

1. 能量逆級串：能量從小尺度流向大尺度。在大尺度上，擬渦能的貢獻很小（因為渦量隨尺度增大而減小），不會破壞守恒。
2. 擬渦能正級串：擬渦能從大尺度流向小尺度，最終在那里被粘性耗散掉。

這就是“雙級串”結(jié)構(gòu)：能量向上，擬渦能向下，兩條高速公路，同時運行，方向相反。

在當時固有的三維湍流能級串理論下，Kraichnan依然堅信自己的物理直覺，從理論上推導(dǎo)了超越時代的二維湍流理論。

江湖的遲來認可：當預(yù)言被證實

1967年，Kraichnan發(fā)表了超越時代的二維湍流理論。由于當時沒有超級計算機能模擬二維湍流，也沒有實驗?zāi)茯炞C逆能級串。在很多人看來，二維湍流只是一個“數(shù)學(xué)玩具”，在真實世界中根本不存在。

然而，Kraichnan并不在意。他繼續(xù)在新罕布什爾的山林里，推演他的方程。

直到1980年代，隨著超級計算機的出現(xiàn)，數(shù)值模擬首次證實了二維湍流中確實存在逆能級串。

到了1990年代末，精密的肥皂膜和薄層電解液實驗（準二維流動），也在實驗室中清晰地觀測到能量從小尺度向大尺度匯聚的過程。

21世紀初，對木星大紅斑的深度觀測、地球大氣環(huán)流的分析以及海洋中尺度渦旋的研究，都一致表明：Kraichnan在1967年預(yù)言的逆能級串，正是這些巨大而長壽的流體結(jié)構(gòu)的形成機制。

令人震撼的是，大紅斑直徑約16,000公里 （足以吞下整個地球），在缺乏固體表面摩擦的木星大氣中，已持續(xù)盤旋了至少190年。這種跨越世紀的穩(wěn)定性，本質(zhì)上源于逆能級串不斷將周圍小尺度渦旋的能量“喂養(yǎng)”給中心大渦旋，使混亂的湍流在行星尺度上自組織成了永恒的秩序。

Kraichnan的理論超前了實驗三十年。

風清揚的傳劍：獨立學(xué)者的育人哲學(xué)

Kraichnan雖然離開了體制，但他并沒有完全與世隔絕。

他有一個獨特的“育人”方式：他歡迎所有對湍流感興趣的青年學(xué)者來他家做客，然后帶著他們在山間徒步數(shù)小時，邊走邊推演物理。

他沒有教授的頭銜，沒有固定的實驗室，但他通過自己的方式，影響了一代又一代的湍流研究者。他天才的物理直覺和學(xué)術(shù)思想滋養(yǎng)了一大批享譽世界的流體力學(xué)大師。

這就是風清揚式的傳劍：沒有門規(guī)，沒有儀式，只在山間漫步時，將最精華的劍意，傳給那些有緣的年輕人。

Kraichnan雖然長期游離于主流學(xué)術(shù)圈之外，但這并沒有阻止學(xué)界對他的認可。2000年當選美國國家科學(xué)院院士。2003年獲得狄拉克獎?wù)拢碚盟谕牧骼碚摚貏e是二維湍流逆能量級串和統(tǒng)計力學(xué)方面的杰出貢獻。

2008年2月26日，Kraichnan在新墨西哥州圣達菲的家中去世，享年80歲。他沒有留下龐大的學(xué)術(shù)譜系，但他的論文和思想、他那套“獨孤九劍”般的湍流理論，已經(jīng)成為流體力學(xué)江湖中不朽的傳說。

尾聲：風清揚的劍譜，還在流傳

回顧Kraichnan的一生，他留下的啟示，樸素又深刻。

科學(xué)的最佳狀態(tài)，有時是“孤獨”的，Kraichnan最好的想法，大多是在新罕布什爾的山間徒步時想通的。

科學(xué)需要深度的思考，需要被保護的時間。在今天的科研環(huán)境中，這一點尤其值得反思。我們是否給了自己和學(xué)生足夠的時間去思考那些真正困難的問題？還是被項目申請、論文發(fā)表、學(xué)術(shù)社交填滿了所有時間？

在二維的湍流江湖里，能量不會碎裂成塵埃，而是匯聚成洪流。Kraichnan雖然一生低調(diào)，卻將這套“逆能量級串”的劍譜傳給了后世。正如風清揚的獨孤九劍，雖不見其人，卻影響了整個武林。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號“LBM與流體力學(xué)”，原標題《流體江湖的“風清揚”：湍流的獨行劍譜》。

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