热点 用沙拉酱模拟核聚变，这种事只有物理学家

  

　　源头：科研圈

 

　　超市里就能买到的沙拉酱是模拟核聚变重要历程的好材料，就是不晓得他们怎样申请报销。

 

 

　　在吃沙拉或汉堡包的时候，你有无留心过里面甜丝丝的雪白色酱汁？这类蛋黄酱是洋浑中“出圈”最获胜的一种沙拉酱，它有着低调的香味与浓重的口感，切当给良多食物当配角。无非，一位流脑力学专家为蛋黄酱开辟了全新用途，那即是模拟核聚变历程。

 

　　美国理海大学（Lehigh University）机械工程与力学系副传授、流膂力学研讨者阿林达姆·班纳吉（Arindam Banerjee）几年前就发现，一种蛋黄酱在低温下的性质和高温低压下的凝结金属颇为不异，是研究核聚变的好原料，因而愉快地用它做了一系列仿照试验。

 

　　核聚变中的流脑力学困扰

 

　　受控核聚变被视为未来的“终极能源”，良多人致力于研讨如何让它早日成为现实。核聚变的发生需要极高的温度与压力，让原子核具备足够的动能，抑制静电排挤力“聚”在一同发生反馈。目前有两种支流的门径来创造何等的条件：一种是磁环流约束，用强磁场将等离子体约束在特定的空间中，例如甜甜圈一样平常的托卡马克装置；另一种是惯性约束聚变，用粒子自己的惯性使它们聚在一块儿。

 

　　惯性约束聚变的“燃料”被喻为靶丸，它含有毫克级的氘和氚，大小在毫米量级。用激光晖映靶丸外貌时，靶丸火速向内被缩短，当到达临界形状时，将引发核聚变反馈。这个症结环节被称为爆聚。

 

靶丸爆聚历程暗指图，图片根源：Wikipedia

　　何等一个听起来云云酷炫的反馈，却被一个小小的流体物理学识题很有问题限定着——因为靶丸金属外壳和气体的交壤处具有瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability，又称 RT 不稳定），造成流体扰动，燃料容易在靶丸内还没有压缩至聚变条件时就提早爆炸。

 

　　RT 不稳定在生存中十分常见。譬喻本年风行的“脏脏茶”里，奶茶与黑糖混合发生的斑纹等于 RT 不稳定的体现。假设你把杯子倒过来，让密度大的糖浆在上面，密度小的奶茶鄙人面，还能看到一股股的糖浆顺着杯壁往上流。具体而言，RT 不稳定发生在两种差异密度的资料之间，在资料界面密度梯度与压力梯度偏向相反的时候。“在重力或任何减速场的存不才，两种原料会像‘手指’一样相互渗入渗出，”班纳吉说。

 

牛奶与冰咖啡同化发生发火的斑纹也是一样的原理。图片本源：Pixabay

　　在更大的尺度上，大气中冷暖气氛的相遇，河流入海口水流交汇时的扰动，大气电离层中由太阳辐射导致的环流与湍流，甚至超新星迸发进程中的一些情形，都是 RT 不稳定的体现。

 

黄河入海口的“黄龙入海”景观。图片来历：黄河口生态观赏区（http://www.hhkstlyq.com）

　　容易来说，RT 不稳定意味着不平匀、不受控的渐变与扰动。何等一个无处不在的征象却在受控核聚变进程中造成了毒品烦，让受控核聚变成了“不受控”——这种事物理学家可不答应。

 

　　给靶丸找个“替人”

 

　　为了研讨这个问题，物理学家们又碰着了新的问题。核聚变不只物理进程且则，还需要苛刻的反馈前提，这对执行室观察造成了难题。能不能用简单的方式摹拟核聚变，少花点经费，多做点试验呢？

 

　　早在几年前，班纳吉就发现了一个优秀的“替身”，那便是某品牌蛋黄酱（是的，他一直买匹敌款）。这种蛋黄酱含有 80% 的植物油、8% 的水和 2% 的其他尺度配料，它在高温下的弹塑性和高温下溶化的金属颇为相斥。

 

　　班纳吉率领团队，用低温下的蛋黄酱模拟高温下的靶丸金属外壳，哄骗高速摄像和图象处理算法，察看并总计了 RT 不稳定的相干参数。他们将冷藏的蛋黄酱倒进一个无机玻璃容器内，上方再扣一个异样的空容器，让蛋黄酱和氛围构成密度梯度。这个容器将被静止在加速离心旋转轮上，蛋黄酱靠近转心；当转轮劈头劈脸转折时，蛋黄酱可能在向心力感导下与气氛混合。

 

　　下列图：

 

　　（a） 处于初始状态的蛋黄酱；

 

　　（b） 3D 扰动的初始界面，λ=60mm，ξi=4mm；

 

　　（c） 2D 扰动的初始界面，λ=60mm，ξi=4妹妹；

 

　　（d） 3D 扰动默示图，λ=60mm，ξi=4妹妹；

 

　　（e） 扰动的前视图，图中标注了初始波长 λ 和振幅 ξi。

 

图片来自论文，DOI：10.1103/PhysRevE.99.053104

　　一台高速 CCD（500 帧/s）对准蛋黄酱与空气界面处，纪录将要发生的 RT 不稳定情形。履行历程还需要峻厉管教光阴，以确保蛋黄酱始终坚持在弹性形变规模内，防备因“过劳”而发生塑性形变，侵扰实验终究。

 

　　让蛋黄酱摇曳起来

 

　　履行提议，蛋黄酱最先了它的饰演。班纳特把持三轴数控机床切削导轨产生严格控制的粗略余弦振动波，并通报到蛋黄酱上造成初始扰动，同时让滚轮动弹起来，考察扰动的成长与变换。通过进一步篡改波长与振幅组合，他们就能够欠缺研究不合条件下蛋黄酱的“失稳阈值”。

 

　　研究发现，蛋黄酱外观扰动余弦波可用下面的公式发展描画：

 

　　x = ξicos（2π y/λ）

 

　　ξi 代表振幅，而 λ 代表波长（即玻璃容器宽度）。

 

　　下列图，采纳 MATLAB 对图象进行处置惩罚和计算，

 

　　（a） 初始图象，λ=60 mm，ξi=4 妹妹，3D 界面；

 

　　（b） 边际提取与等高线（表现旋转）；

 

　　（c） 扰动生长以前，蛋黄酱波峰位于焦点；

 

　　（d） 扰动生长并接近极大（失稳），波峰偏离法线轴。

 

 

　　如何稳住一坨蛋黄酱

 

　　一系列二维与三维扰动实验的后果均抒发，减小初始振幅与波长有助于构成更稳定的界面，让失稳需要的临界放慢度变大。其它，在等效初始条件下，三维扰动比二维扰动更无利于界面稳定。

 

　　图为三维扰动下蛋黄酱的失稳进程，波长为 60 mm，振幅从上到下分别为 6 mm、4 妹妹、2 妹妹 和 1 mm，t′ 单位为秒。

 

 

　　图为二维扰动下蛋黄酱的失稳历程。波长为 60 妹妹，振幅从上到下分别为 6 妹妹、4 mm、2 妹妹 和 1 mm，t′ 单元为秒。

 

 

 

 

 

 

　　对付 RT 不稳定的发生条件，学术界始终具有两种差距的观点：有人认为是界面初始条件决意了失稳的发生，也有人以为是一小部分激烈突变导致了失稳的发生。而班内特的钻研赞成了第一种观念，即失稳取决于摇动界面的初始条件，初始振幅和波长越小，失稳所需要的加速条件就越高。这篇论文宣告在往年 5 月的 Physical Review E 上。

 

　　班纳吉总结说，今朝 RT 不稳定性的钻研对象首要限于流体，对于加快固体中不稳定性的演变历程还所知甚少。放慢固体时间尺度短，丈量不必定度大，研究起来非常具有挑战性。蛋黄酱研讨为计较机仿照提供了有价值的数据，也让他们能够进一步拆分标题问题，比方如何改良外壳材料。

 

　　思虑到 RT 不稳定在天然界中的宽泛存在，这些研讨也许还能对大气科学、天体物理等领域带来疏浚沟通。笼统这便是物理学的诱人的地方——沙拉酱与奶茶，河道与星空，竟能被纳入同样的公式当中。

 

   

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