奥斯本-雷诺兹（Osborne Reynolds）正在 1883 年的试验中声清晰水流从层流到湍流的改观，从而提出了流体力学的根基题目。几十年后，奈杰尔-戈登菲尔德（Nigel Goldenfeld）和比约恩-霍夫（Björn Hof）指引的商量职员运用统计力学解开了这些谜团，声明流体中层流到湍流的改观显示为定向渗滤--流速决心最佳萃取的观念，您可能贯通为雷同于冲泡咖啡。

　　他们的跨学科手段揭示了这种改观可能用非平均态相变来刻画，并为流体动力学供给了新的意见。

　　1883 年，奥斯本-雷诺兹（Osborne Reynolds）将墨水注入一根透后短管中的水中，考核水的滚动。他的试验注解，跟着输入水流速率的填充冲泡，水流从层流（光滑且可预测）变为湍流（不巩固且弗成预测）冲泡，变成完结部的湍流斑块，即本日所说的Puffs冲泡。

　　他的事业帮帮开创了流体力学周围，但正如试验每每做的那样，他的事业提出了更多的题目。比如，层流和湍流之间为什么会产生转换冲泡，何如定量刻画这种转换？

　　固然雷诺兹没能找到谜底，但由加州大学圣地亚哥分校校长特聘物理学熏陶尼格尔-戈登菲尔德和奥地利科学本事商量所的比约恩-霍夫指引的一个国际商量幼组，使用统计力学管理了这个历久存正在的题目。他们的商量效率发布正在《天然-物理学》上。

　　这项事业的别致之处正在于，商量幼组不但从流体力学的角度来商量这个题目，况且还从统计力学的角度来商量这个题目冲泡。统计力学是物理学的一个分支，它操纵数学来刻画拥有大批粒子的编造的举动。统计力学平时合用于处于平均形态的编造，但湍流并不处于平均形态，由于能量继续进出流体。然而，商量幼组正在先前事业的根源上声明，正在层流和湍流之间的过渡点，流体正在管道中的运动处于非平均相变形态，即所谓的定向渗滤。要是渗滤会让你联思到清早的咖啡，那么它正在这里供给了一个有效的例子。

　　咖啡渗滤时，水以必定的速率流经咖啡渣，并顺着重力宗旨向卑鄙动。这种滚动称为定向渗滤冲泡。速率太速，咖啡会变淡；速率太慢，水会倒流并溅到台面上。最好的一杯咖啡是水流速率足够慢，以招揽咖啡豆中最多的滋味，但又足够速，使其通过过滤器时不会倒流。这便是所谓的定向渗滤转换。

　　这如同与流体湍流无合，但正在开始的事业中，商量幼组和该周围的其他商量职员有证据注解，定向渗流改观拥有与层流-湍流改观无此表统计性情。

　　这个题目仍旧存正在了近150年，须要用绝顶规的头脑来管理，戈登菲尔德说，他还正在雅各布斯工程学院和哈利西奥卢数据科学商量所任职。尚有时光。团队中的极少成员正在这个题目上仍往事业了十多年。

　　湍流气泡沿模仿管道和试验转移时的时光轨迹，蓝域显露气泡交通阻碍。左边的图像比右边的图像更切近层流-湍流过渡，以是可能显露地看到冲泡，跟着定向渗流过渡的切近，交通阻碍渐渐没落。图片开头：Nigel Goldenfeld / 加州大学圣地亚哥分校

　　到底上，2016 年，正在戈登菲尔德及其互帮家提出层流-湍流改观表面的同时，霍夫商量幼组就正在圆形几何中对层流-湍流改观举行了试验商量。

　　即使霍夫商量幼组仍旧声清晰圆形几何体中的定向渗流，但正在管道如许的绽放几何体中会产生什么仍不显露。其它，正在管道几何体中举行试验也不实在践。固然圆形是永无尽头的，但商量职员猜度，正在管道中举行同样的试验须要 2.5 英里的长度，而搜求需要的数据点须要几个世纪的时光。

　　为了博得转机，商量幼组做了两件事。起初，他们操纵压力传感器考核管道中的气泡，并精准衡量了气泡何如影响相互的运动。他们将数据输入分子动力学筹划机模仿，结果注解，从统计学角度来看，正在层流-湍流过渡邻近，粉扑的举动与定向渗流过渡绝顶吻合。

　　其次，他们使用相变物理学的本事，操纵统计力学从数学上预测了Puffs的举动。这也验证了定向渗流改观的假设。

　　通过这项商量，商量幼组还从周密的试验和统计力学表面中发觉了极少意思不到的东西：就像顶峰时段高速公途上的汽车相通，粉扑容易变成交通阻碍。要是一个粉扑填满了管道的宽度，那么没有任何东西可能通过它，这意味着其他粉扑不妨会正在它后面堆集起来。就像你不妨思清楚为什么会产生交通阻碍，为什么交通阻碍会正在无法确定原由的情景下没落相通，粉尘阻碍也会以统计力学所刻画的办法自行变成和消逝。正在从层流到湍流的临界过渡点上冲泡，气泡阻碍往往会溶化，让位于定向渗流过渡的分表统计举动。

　　戈登菲尔德评论道：这项事业不但揭开了管道层流-湍流改观的序幕，还浮现了来自分歧科学学科的意见是何如出人预思地阐明一个困难的。要是没有统计力学的视角，就不不妨贯通这一典范的流体力学局面。冲泡咖啡杯里的风暴：科学家破解雷诺湍流的百年之谜