物理學是人類探索宇宙的指路明燈,萬物的本質是“運動”,宇宙的本質就是能量的傳遞和物體的運動。在137億年前,奇點促使了宇宙大爆炸的誕生,在奇點爆炸的一瞬間,能量開始出現並流動,時間和空間的概念也由此誕生,而物理學就是研究物質最基礎的運動規律和基本結構的一門學科。
對世界影響最大的科學家總是物理學家,比如“愛因斯坦”“牛頓”等人,他們的理論直接影響了人類的宇宙觀,在19世紀以前,“經典力學”是物理學大廈的基石,基於牛頓的理論,力學對自然科學和工程學產生了巨大的影響,愛因斯坦的狹義相對論也屬於經典力學範疇。
但是二十世紀後,科學家發現經典力學存在很大的侷限性,在微觀的量子世界和接近光速的狀態下,經典力學就不再適用,量子力學和廣義相對論誕生,解釋了接近光速運動時的相對性問題,而量子力學解釋了微觀粒子的運動規律。
隨著物理學的發展,量子力學和相對論很快成為了現代物理學的兩大基石,但是這兩個理論之間存在矛盾,對現在人類發現的一些現象無法完美描述,正是因為這個原因,很多物理學家試圖尋找到一個“大一統理論”,愛因斯坦的晚年就在不斷的尋找“大一統理論”,可惜並沒有成功。
其實想要找到“大一統理論”這種可以解釋宇宙一切問題的理論是一件不現實的事情,任何科學理論從某種程度上來說都是可“證偽”的,隨著科學的發展,原有的理論很可能會被推翻,就像是經典力學的不完善一樣,面對著無限的宇宙,人類的理論會不斷的革新,新的理論會被更新的理論代替。
經典力學最後一個難題經典力學也不是十全十美,在經典力學中仍然存在無法解決的難題,宏觀世界人類還沒有完全理解,更別提微觀世界和高速運動狀態時的難題了。
“湍流”被稱為經典力學的最後一個難題,但是湍流問題讓科學家“望而生畏”,物理學家費曼認為湍流是經典力學尚未解決的難題中最重要的一個,和理論物理的難題不同,科學家知道解決湍流難題的方法,卻沒有能力揭開謎底。
湍流是一種流動狀態,當流體的流速達到一定程度後就會產生“湍流”,湍流的中文含義可以很好的解釋這個運動狀態:“湍急的水流”,湍流之難在“混沌”和“非線性數學”, 在自然界中湍流現象十分常見,不僅僅是湍急的河流,氣流也會產生湍流,並且要比水流更加難以預測。
湍流的出現對於人類來說有利有弊,比如飛機在運動時會產生湍流,這些湍流可以強化能量的傳遞和反應過程,而代價就是增大摩擦阻力和能量的損耗,如果可以完美的預測湍流,可以幫助人類節省大量的能量。
湍流可以給人一種複雜的美感,最具有代表性的例子就是木星的大氣層,就像是一幅油畫一樣充滿了混沌之美,而湍流最大的難題就是無法預測的混沌,任何一個小小的擾動訊號都會在湍流中被不斷的放大,想要預測湍流,就像是預測一個瀑布中每一滴水的運動軌跡一樣,計算量超乎想象的龐大和複雜。
因為龐大的計算量,想要研究湍流必須用統計力學,再用理論結合計算和實驗,但是已經一百多年過去,湍流仍然沒有一個精確的解釋,很多基本問題和技術難題都無法解決。
湍流問題的根本是“納維-斯托克斯方程”的統計解,只要解開這個方程就可以得到一切的答案,但是因為計算量的龐大和混沌的不可預知性,暫時沒有人可以解開這個方程。
前文已經提到過,在湍流中任何一個微小的擾動都會被放大,這也是湍流難以預測的最大原因,可是隨著計算機的出現,湍流問題已經在很大程度上得到了解決,雖然無法完美預測,但是已經可以在一定程度上對湍流的混沌做出判斷。
湍流難題具有現實意義,解決這個難題可以幫助人類節省能源,加快交通工具的移動速度變相節約成本,也可以幫助人類更好的認識自大自然。同時湍流難題也在提醒物理學家不要太好高騖遠,比起研究宇宙的本質,解決這些眼前的難題可能更好一些。
你認為人類可以解決湍流難題嗎?