数值计算能够深入了解湍流的相对论特性

在热等离子体中刺激湍流的模拟期间各个时间的这些快照显示了能量密度。在明亮的区域中，能量和温度在每种情况下最大。David Radice / Luciano Rezzolla（AEI）

新的计算使科学家能够更好地了解可以在天体物理现象中发现的制度中的动荡过程。

美国诺贝尔奖Laureate为物理理查德FEYNMAN曾经描述过湍流作为“古典物理学最重要的未解决问题”，因为从第一原理的现象的描述不存在。这仍被认为是今天数学中最重要的问题之一。来自Max Planck Gravitational Physics（Albert Einstein Institute / AEI）的大卫罗迪德和露天Rezzola现在在波茨坦举行了一个重大步骤解决这个问题：这是一项新的计算机代码提供了相对论的计算，使科学家能够更好地了解可以在天体物理现象中发现的制度中的动荡过程。

湍流流量非常常见，并在物理过程的动态中发挥重要作用。每天，我们都遇到了湍流，例如我们每次混合牛奶和咖啡，或在燃烧发动机中混合的汽油混合物，或在燃烧发动机中的稀释热等离子体中。

在15世纪，已经回到了15世纪，由Leonardo da Vinci研究了动荡的漩涡。在19世纪，Claude Navier和George Stokes制定了描述了流体和气体运动的方程式。相应的“Navier-Stokes方程”也可用于描述湍流。然而，使用简单的几何和精力充沛的争论，俄罗斯数学家安德烈·科尔马诺夫在第二次世界大战期间开发了今天仍然有效的动荡的现象学理论。

尽管Kolmogorov的预测已经在许多条件下验证了，但仍然缺乏湍流的基本数学理论。结果，“分析了三维不可扫描的Navier-Stokes方程的解决方案的存在和规律性”是在未解决的数学问题的列表中，剑桥/马萨诸塞州的克莱数学研究所为曲调提供奖金2000年为其解决方案的一百万美元。

“我们的计算尚未解决这个问题，但我们正在展示前一个理论必须被修改，并且应该如何完成。这使我们更接近湍流描述的基本理论的一步，“AEI数值相对论工作组负责人Luciano Rezzolla说。

Rezzolla和他的同事大卫Radice研究了相对论的速度和能量条件的湍流，例如黑洞或早期宇宙附近的那些。在这两种情况下，流体运动接近光速。研究人员使用虚拟实验室来模拟这些情况，以考虑相对论的效果。在AEI和涂层基计算中心的超级计算机上求解相应的液动力学的相应非线性微分方程。

“我们的研究表明，Kolmogorov对相对论现象的基本预测必须被修改，因为我们观察了异常和新效果，”Rezzola说。但是，有趣的是，Kolmogorov理论最重要的预测似乎仍然有效“，请参考所谓的-5/3 kolmogorov法律时仍然有效，这描述了系统的能量如何从大到小涡流转移。

随着他们的工作，科学家们还希望帮助制定一项综合模型。“我们现在已经采取了第一步，”Luciano Rezzolla说。“我们打算改进计算机代码，以获得关于相对论湍流的基本性质的进一步了解。”

出版物：Radife，D.，Rezzolla，L.，“热等离子体的相对论湍流流动的普遍性和间歇性”，2013，APJ。766，L10; DOI：10.1088 / 2041-8205 / 766/1 / L10

研究报告的PDF副本：热气相对论湍流流动的普遍性和间歇性

图像：David Radice / Luciano Rezzolla（AEI）