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第589章 CMS年会 九【NS报告会4-物理的解释】

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一秒记住【笔趣阁】 xbiquge2345.com,更新快,无弹窗!     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。
    “当涡量级联将流体的特征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、热涨落、表面粗糙度、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、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、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、可估计、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是流体运动的特征尺度。”
    “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)65C69√(T61t)
    ‖63u(t)‖65C60/(T61t)
    ω(t)65C61/(T61t)
    “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,特征尺度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)∝∫|v61u|05f(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Kn611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。”
    ……
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