通向湍流框架的统一——在湍流中发现的弱到强过渡

德国波茨坦大学的天体物理学家们通过观察新开发的多航天器分析方法在地球周围的空间等离子体湍流中发现了从弱到强的转变，这对解决磁流体动力学湍流理论中的最后一个难题迈出了重要一步。他们的开拓性发现今天发表在《自然天文》杂志上。

湍流是自然界中无处不在的。它存在于我们日常生活中，也存在于遥远的宇宙中，同时被理查德·费曼称为“古典物理学中最后一个伟大未解之谜”。波茨坦大学物理与天文学院和DESY研究小组的闫辉荣教授及其团队现已发现了一个长期预测的现象：即小幅度空间等离子体湍流中的弱到强转变。他们通过分析欧洲航天局的“Cluster”任务的数据（这是一组绕地球飞行并研究太阳和地球相互作用的四个航天器）做出了这一突破性发现。

阿尔文湍流中的弱到强转变是磁流体动力学（MHD）湍流理论在过去三十年中最关键但尚未得到观测证实的预测。这是极其困难的，因为迄今为止还没有三维湍流波动的采样。因此，研究团队开发了新的多航天器分析方法，以获得速度和磁场波动的三维信息，从而实现了观测结果和理论之间的直接比较。“弱到强转变的观测确认解决了MHD湍流理论中的最后一个难题：它证明了湍流会在能量级联过程中（即能量跨尺度传递）随着非线性增加从线性二维波动状转变为强烈的三维湍流，而这并不依赖于初始扰动的大小，凸显了强MHD湍流的普适性，”波茨坦大学等离子体天体物理学教授、DESY首席科学家闫辉荣如是说。

因此，这些发现实质上深化了我们对湍流的了解，其影响超越了湍流本身的研究，还延伸到了粒子输运和加速、磁重联、恒星形成以及从地球到遥远宇宙中的所有其他相关物理过程。