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徐辰的声音提高,继续讲解。
「刚才我们在黑板上推导的爆破过程,揭示了一个残酷的数学事实:在奇点形成的那个瞬间,流体的涡量需要在一个无限小的空间尺度内,集中无限大的能量!」
「在纯数学的数轴上,这完全没问题。点可以无限稠密,无穷小可以存在。」
「但真实的水和空气,不是无限稠密的数轴!」
「它们是由一个个离散的分子组成的!」
徐辰在白板上画了一根数轴,然后在上面画了几个离散的圆点,代表分子。
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「当涡量级联将流体的特徵尺度压缩到纳米甚至皮米级别时,我们进入了分子的平均自由程尺度。」
「在这个尺度下,流体不再是一个连续体!」
「连续介质这个假设本身,崩溃了。」
……
这部分内容没有复杂的数学推导,算是一种思想实验。所以台下绝大多数学者,在这一刻都听懂了徐辰的逻辑。
甚至连直播间里许多非数学专业的观众,也隐约明白了。
……
「我给大家举个更通俗的例子。」
徐辰在白板上快速画了一个简图。一个杯子,里面装着水,水面上浮着一艘巨大的船。
他对自己的抽象派画功毫无心理负担,主打一个能看懂就行。
「很多人可能听过一个思想实验:一杯水能不能托起一艘航空母舰?」
「如果只看阿基米德浮力定律F=ρgV,答案是可以。因为浮力只取决于排开液体的体积,而不取决于容器里剩余液体的总量。只要你把容器做得和船体完全贴合,中间只留极细的缝隙,理论上,你倒进去一杯水,就能产生几万吨的浮力。」
「这是纯数学和经典力学给出的答案。公式没有错,逻辑没有错。」
「但现实中,你能用一杯水托起航母吗?」
徐辰摇了摇头。
「不能。」
「因为当你把一杯水摊成包裹整个航母底部的水膜时,这层水膜的厚度,将远远只有几十个分子的厚度,要是你的杯子小一点或者航母再大一点,那么这层膜就会比分子还要薄。」
「当厚度缩小到这个尺度上的时候,连续介质近似会逐渐变差,分子排列丶热涨落丶表面粗糙度丶界面作用力都会开始影响结果。」
「这时候,我们不能再只写密度ρ丶压力p和速度场u,然后假设它们在空间中处处连续。我们必须开始追踪分子丶碰撞和统计分布。」
「因此,在这个尺度上,水分子被彻底撕裂,『水』这种物质的宏观概念已经不复存在了。」
「浮力定律的适用前提——也就是存在一种被称为『液体』的连续介质——被彻底击穿了。」
「所以,不是浮力公式错了,而是物理的现实底线,阻止了数学公式在极端条件下的荒谬推演。」
「NS方程的爆破,也是同样的道理。」
……
说到这里,前排已经有物理学家轻轻点头。
「连续介质假设会在分子尺度失效」这个判断本身,对很多物理学家来说并不算全新。
真正难的是下一步:
你如何证明,NS方程里所有可能导致爆破的奇异路径,都必然在抵达数学奇点之前,先撞上这层物理失效边界?
换句话说,不能只停留在思想实验,而要把「物理截断」写成可检验丶可估计丶可闭环的数学命题。
这需要极为强大的数学能力,和对物理世界同样深刻的洞察力。
……
徐辰仿佛猜到了他们的想法。
他重新拿起白板笔,在第五块白板上写下一个无量纲量:
Kn=λ/L
「这是克努森数。由丹麦物理学家马丁·克努森提出,它是气体动力学里最重要的一把尺子。」
「λ是分子平均自由程,L是流体运动的特徵尺度。」
「当Kn远小于1时,连续介质近似成立,NS方程有效。」
「当Kn接近1时,局部热平衡假设失效,NS方程必须退场,玻尔兹曼方程接管。」
「所以,我们要证明的不是『数学奇点不存在』。」
「刚才我已经证明,数学奇点存在。」
「我们真正要证明的是:在物理流体中,任何通向这个数学奇点的路径,都必须先穿过Kn≈1的边界。」
「也就是说,爆破还没来得及发生,NS方程的舞台就已经塌了。」
……
徐辰开始写下刚才爆破证明中的尺度律。
L(t)~C?√(T?t)
‖?u(t)‖~C?/(T?t)
ω(t)~C?/(T?t)
「这组关系来自前面那个主奇异剖面。它告诉我们,越接近爆破时间T,特徵尺度L(t)越小,涡量和速度梯度越大。」
「现在我们把物理边界放进去。」
他在旁边写下:
L(t_c)=λ
「t_c是连续介质失效时刻。」
「由于L(t)会趋向0,因此在T之前必然存在一个t_c,使得L(t_c)=λ。」
「更关键的是,对任意t∈(t_c,T),经典NS方程所要求的连续流体结构已经不存在。此时再谈NS方程的解是否趋向无穷大,就像在相对论区域里继续用牛顿公式计算超光速运动。」
「形式上可以算,物理上无意义。」
……
然后,徐辰写下第二组关系。
在L≈λ的边界层附近,将NS变量与玻尔兹曼分布函数f(t,x,v)进行匹配:
u(t,x)=∫vf(t,x,v)dv/∫f(t,x,v)dv
T(t,x)∝∫|v?u|2f(t,x,v)dv
「这里我采用的是Chapman-Enskog展开的反向匹配。」
「传统做法是从玻尔兹曼方程出发,在Kn很小时推出NS方程。」
「而我这里反过来:从NS爆破剖面出发,追踪它何时必然离开Kn?1的区域,再用玻尔兹曼方程给出接续演化。」
「结果是,在t_c附近,宏观速度梯度虽然快速增长,但分子碰撞项Q(f,f)会引入一个新的耗散通道。」
「这个耗散不是νΔu那种宏观黏性,而是来自微观粒子碰撞的熵增机制。」
他写下H定理形式:
d/dt∫flogfdxdv≤0
「这是玻尔兹曼H定理。」
……