意想不到的扭曲照亮了湍流的秘密

到了喂食斑点的时候了。它沸腾而贪婪，每隔几秒钟就能吃掉8份餐盘大小的食物。

这个斑点是芝加哥大学物理学家威廉·欧文实验室里一个大水箱里的湍流云。与地球上观察到的所有其他湍流实例不同，欧文的斑点并不是流动的液体、气体或等离子体流中的一个杂乱无章的斑块，也不是靠在墙上的一个杂乱无章的斑点。相反，这个水滴是自给自足的，一个翻滚的、笨重的球体，让它周围的水几乎是静止的。为了创造和维持它，欧文和他的研究生松泽拓美必须反复向它发射“漩涡环”-本质上是水上版本的烟圈-一次八个环。松泽说：“我们正在一圈接一圈地建造湍流。”

欧文和松泽严密地控制着作为斑点基石的环路，并仔细研究由此产生的受限湍流。这个斑点可以提供物理学家们两个世纪以来一直在追寻的关于湍流的见解-这一探索导致理查德·费曼(Richard Feynman)称湍流是经典物理学中最重要的悬而未决的问题。(量子湍流也已成为一个重要问题。)。考虑到它在恒星、航空、核聚变、天气、地核变化、风力涡轮机甚至人类健康方面扮演着巨大的角色，解开湍流也可能被证明是非常有影响力的-动脉流可能会变得危险的湍流。

如果这个斑点确实在湍流方面取得了重大进展，它将增加欧文和他的学生在物理学领域取得的一系列令人惊讶和有影响力的突破，这些突破可以大致称为旋转物质-由旋转的物体、流体甚至场组成的系统。

在欧文的发现中，特别引人注目的是该实验室对流体动力学的贡献，这一领域一直以进展缓慢而臭名昭著，部分原因是收集良好数据的难度。最突出的突破包括证明了一条基本的新定律，该定律管辖着被称为涡旋的龙卷风般的洋流管。这一定律阐明了这些基本现象是如何形成、相互作用、演变和衰败的。熟悉欧文研究的马里兰大学(University Of Marland)非线性动力学物理学家丹尼尔·莱斯罗普(Daniel Lathrop)说，“科学常常涉及到找到一种方法来调整或填补已有成果中的一小部分空白。”“威廉问他能做什么与已经做过的完全不同。这是一种可以开辟新领域的工作。“。

但现在，由于他对漩涡的掌握已经把他带到了这个斑点，欧文感觉到了水中更大、更危险的猎物。“由于缺乏良好的数据和理论，动荡一直被认为是职业生涯走向死亡的地方，”欧文说。“我发现自己越来越投入其中。”

到2006年，26岁时，意大利出生的欧文已经获得了两个不同的量子光学博士学位，一个是牛津大学的实验物理博士，另一个是加州大学圣巴巴拉分校的实验和理论博士。然后他决定，他已经受够了在深奥的物理学领域勉强维持微不足道的进步，他准备开始在普林斯顿大学更开放的神经科学领域攻读博士后学位。但后来，一位朋友碰巧提到了纽约大学物理学家保罗·柴金(Paul Chaikin)对“软物质”(如泡沫、胶体、凝胶、液晶和其他不太典型的非固体物质)所做的工作。

柴金和这个新兴领域的其他人正在让材料展示以前从未见过的特性，比如自复制和自组装-与传统的凝聚态物理学家不同的是，他们在室温下将材料放在眼前的烧杯里，而不是在绝对零度附近的冰箱里。更重要的是，从欧文的观点来看，他们正在大踏步地进入几乎没有开发过的领域。“这是一个人们仍然可以做出根本性发现的领域，”他说。“这是你进行实验的地方，不是为了证实答案，而是因为没有人知道答案是什么。”

欧文作为博士后跳进了柴金的实验室，从事胶体或悬浮在液体中的颗粒的研究。但有一天，在曼哈顿市中心散步时，欧文注意到有人在吹烟圈，他立即冲回实验室，试图建造一种可以用烟雾制造更复杂结构的装置。他没有走多远，就把这个项目放在一边。但他没有忘记这些环，当他加入芝加哥大学的教职员工时，他开始研究水中的涡流环路，并没有因为对这个课题一无所知而被吓倒--实际上，他充满了活力。“我甚至从来没有上过流体力学的课程，”他承认。“当我不得不教它的时候，我就是在这里学的。”

他了解到，漩涡基本上是气体、液体或其他介质中的管状扭曲流，龙卷风是最常见的例子。漩涡可以非常稳定，但它们也是令人惊讶的可变的。就像在烟圈中一样，它们的两端可以连接成一个环，多个涡环可以连接、合并甚至打结。(海豚在这方面可以胜过吸烟者，吹涡圈显然只是为了好玩。)。

物理学家想要更多地了解涡旋特性的一个原因是，涡旋经常出现在各种粒子场中，包括电场和磁场。一个简单的例子是：流经导线的电流在导线周围产生磁场漩涡-一种磁性龙卷风，会导致导线附近的假想磁粒子环绕导线，就像微小体积的水被带着绕着漩涡一样。(磁粒子是假设的，因为这样的“单极”似乎在自然界中并不存在。)。

欧文与当时的研究生赫里德什·凯迪亚(Hridesh Kedia)合作的早期突破之一是展示了光场是如何打结的。但是欧文对水特别感兴趣。在水中形成龙卷风般的漩涡很容易-任何人都可以用汽水瓶做到这一点。但是如何制作环状、更复杂的形状和漩涡组合，包括打结呢？这样做对于解决长期存在的关于涡旋的一种称为螺旋度的基本性质的问题至关重要。长期以来，涡旋螺旋度一直被定义为一个涡流或一组相连的涡流中的链接和结点的总数。链接和结是拓扑特征，因为当漩涡被拉伸、压缩或以其他方式变形时，它们不会更改。

半个世纪以来，人们已经知道，涡旋螺旋度在理想流体中是守恒的-基本上是一种没有粘度的流体，这意味着它对物体穿过它没有任何阻力。如果存在这样的流体，则无论流体中的一个漩涡或一组链接的漩涡经历什么变化，链接和结的数量加起来都会是相同的数字。

该定律的某种形式是否适用于现实世界的流体和气体的问题仍然顽固地抵制所有的分析和实验。然而，这样的守恒定律对于气象学家和其他处理漩涡的人来说将是非常有用的-同样是处理湍流的同样广泛的研究人员。

对螺旋度守恒的洞察与另一个基本问题有关：漩涡中的“旋度”在最终衰变时会去哪里，就像它们总是做的那样？旋转能量和动量必须守恒，但还不清楚漩涡的宏观旋转是如何转移到越来越小的尺度上，最终在分子水平上消散的。了解这一机制很可能有助于阐明螺旋度守恒，反之亦然。

为了想出一个可能提供一些答案的实验平台，欧文利用了他的一个爱好。他在那里有非常丰富的血脉：他会说四种语言，演奏一把低级的大提琴(还学习了其他三种乐器)，是一名中等水平的攀岩运动员，扬帆，是一名商业评级的飞机飞行员，驾驶特技飞行是为了好玩。(“如果你在科学上做了一些非常好的事情，”他解释说，“可能是因为你很小心地抽出时间玩耍。”)。正是这最后的消遣促使他想出了一个产生水漩涡的想法。飞行员很清楚，猛烈的漩涡形成在加速飞行的飞机的翼尖，并从那里分离出来。为什么不试着把它们放在翼状或水翼状的水中呢？

欧文招募了一台3D打印机，能够在8小时内制作出任意形状的新水翼，他与当时的博士后达斯汀·克莱克纳(Dustin Kleckner)以及后来的研究生马丁·谢勒(Martin Scheeler)和罗伯特·莫顿(Robert Morton)试验了数百种形状。为了找到一种将水翼加速到相当于100倍重力的方法，研究人员探索了从炸药到轨道枪的一切东西，最终降落在欧文所说的“土豆枪”上--一种由压缩气体驱动的强大活塞。为了容纳这个和其他威尔·E·郊狼(Wile E.Coyote)形状的装置，以及一个巨大的水箱，欧文在一座实验室建筑的地下三层占据了一个很大的空间，推倒了14英尺高的天花板和上面所有建筑的内部，得到了一个30英尺高的空间，他可以在里面装上一台小型起重机。

最后，水翼开始产生宽达一英尺的整齐的环。他们甚至创造了连环和打结的漩涡。Kleckner和Scheeler用高速激光扫描断层扫描和摄像机包围了水箱。微小的气泡和示踪剂颗粒被喷射到水箱中，这样它们就可以被卷入漩涡中，使研究人员能够看到并近距离测量漩涡的演变。然后，他们有了一个幸运的突破：他们开始用夏皮在水翼上写字，以帮助识别它们，但墨水渗入水中，卷入了漩涡，在那里它在激光下发出荧光，提供的图像比气泡提供的图像更清晰。通过故意在水翼上的正确位置绘制少量的夏皮墨水-后来又画出了他们自己的特殊配方墨水-研究人员发现，他们可以突出所产生的漩涡的任何部分或特征，例如漩涡的中心线，否则很难识别。

到了2017年，创造一个实验性的水下漩涡马戏团的努力得到了回报，证明了现实世界中螺旋度会发生什么。事实证明，现实世界中的漩涡并不像理想流体那样表现：漩涡中的链接和结点的数量并不总是随着漩涡的演变而守恒的。但是欧文加入了两个新的因素：“扭动”和“扭曲”。想象一条直线长度的软管，表示龙卷风一样的直线漩涡的长度。扭动反映出软管呈扭曲的形状，就像Slinky的形状，或者在更极端的情况下变得卷曲。扭转是指软管的两端向相反的方向扭曲，即使软管保持直立。严格地说，扭曲和扭曲不是拓扑特征，但它们是“几何”特征，本质区别在于几何特征可以局限于实体的特定部分，而拓扑特征是全局属性。

其他研究人员此前曾提出，将这些几何特征与链节和结一起包括在内，可能会更全面地衡量漩涡的复杂性和“旋转性”--这甚至可能导致新的守恒定律。欧文制定并证明了那条新法律。他展示了结、环和扭动-忽略扭曲-不会因为粘性而失去它们的组合螺旋性。但扭动可以转化为扭曲-就像卷曲的软管可以被拉直一样，导致软管发生大范围的扭曲。更重要的是，漩涡可以自我解旋，在这样做的同时扭曲周围的粘性介质。这样一来，漩涡基本上就失去了它的旋转性--以及随之而来的螺旋性--给周围的介质。欧文说：“由于几何学的原因，它实际上进化得相当顺利。”

这项发表在2017年“科学”(Science)杂志上的研究，不仅对螺旋度在现实世界中的演变提供了更全面的解释，还提出了涡旋是如何在环境中失去与自旋相关的能量和动量的。“你真的不得不佩服威廉作为一个实验者的风格，”莱斯罗普说。“创建这样一个新颖的设置，并努力得到答案，令人印象深刻。”

在Zoom的一系列采访中，现年40岁的欧文表现得友好而古怪。但他也是沉思和强烈的，他狂野的乱发放大了这种印象。他的研究生们自由地称赞他是一位科学家和导师。该实验室目前的研究生埃夫拉姆·比利伦(Ephraim Bililign)说：“他有一些奇怪的想法，一开始似乎说不通，但我最终总是能从中学到东西。”作为一个例子，他提供了欧文的建议，他试图从肥皂片中引诱出新的行为-这个项目被证明是不可行的，但这直接导致了比利伦目前对肥皂膜悬浮液中旋转的微观磁性立方体的研究，这些立方体显示出各种奇怪的特性。

与此同时，欧文的学生们注意到，他仍然非常隐秘，几乎到了神秘的地步。他们最近惊讶地发现他已经当了很长时间的飞行员。

他早期职业生涯中古怪的、即兴的曲折，

尽管欧文急于在斑点研究方面取得进展，但他表示，他和松泽可能至少还需要一年时间才能发表论文，尽管欧文已经开始在会议上讨论这个问题。