徐辰的聲音提高,繼續講解。
「剛才我們在黑板上推導的爆破過程,揭示了一個殘酷的數學事實:在奇點形成的那個瞬間,流體的渦量需要在一個無限小的空間尺度內,集中無限大的能量!」
「在純數學的數軸上,這完全冇問題。點可以無限稠密,無窮小可以存在。」
「但真實的水和空氣,不是無限稠密的數軸!」
「它們是由一個個離散的分子組成的!」
徐辰在白板上畫了一根數軸,然後在上麵畫了幾個離散的圓點,代表分子。
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「當渦量級聯將流體的特徵尺度壓縮到納米甚至皮米級彆時,我們進入了分子的平均自由程尺度。」
「在這個尺度下,流體不再是一個連續體!」
「連續介質這個假設本身,崩潰了。」
……
這部分內容冇有複雜的數學推導,算是一種思想實驗。所以臺下絕大多數學者,在這一刻都聽懂了徐辰的邏輯。
甚至連直播間裡許多非數學專業的觀眾,也隱約明白了。
……
「我給大家舉個更通俗的例子。」
徐辰在白板上快速畫了一個簡圖。一個杯子,裡麵裝著水,水麵上浮著一艘巨大的船。
他對自己的抽象派畫功毫無心理負擔,主打一個能看懂就行。
「很多人可能聽過一個思想實驗:一杯水能不能托起一艘航空母艦?」
「如果隻看阿基米德浮力定律f=pgv,答案是可以。因為浮力隻取決於排開液體的體積,而不取決於容器裡剩餘液體的總量。隻要你把容器做得和船體完全貼合,中間隻留極細的縫隙,理論上,你倒進去一杯水,就能產生幾萬噸的浮力。」
「這是純數學和經典力學給出的答案。公式冇有錯,邏輯冇有錯。」
「但現實中,你能用一杯水托起航母嗎?」
徐辰搖了搖頭。
「不能。」
「因為當你把一杯水攤成包裹整個航母底部的水膜時,這層水膜的厚度,將遠遠隻有幾十個分子的厚度,要是你的杯子小一點或者航母再大一點,那麼這層膜就會比分子還要薄。」
「當厚度縮小到這個尺度上的時候,連續介質近似會逐漸變差,分子排列丶熱漲落丶表麵粗糙度丶界麵作用力都會開始影響結果。」
「這時候,我們不能再隻寫密度p丶壓力p和速度場u,然後假設它們在空間中處處連續。我們必須開始追蹤分子丶碰撞和統計分布。」
「因此,在這個尺度上,水分子被徹底撕裂,『水』這種物質的宏觀概念已經不複存在了。」
「浮力定律的適用前提——也就是存在一種被稱為『液體』的連續介質——被徹底擊穿了。」
「所以,不是浮力公式錯了,而是物理的現實底線,阻止了數學公式在極端條件下的荒謬推演。」
「ns方程的爆破,也是同樣的道理。」
……
說到這裡,前排已經有物理學家輕輕點頭。
「連續介質假設會在分子尺度失效」這個判斷本身,對很多物理學家來說並不算全新。
真正難的是下一步:
你如何證明,ns方程裡所有可能導致爆破的奇異路徑,都必然在抵達數學奇點之前,先撞上這層物理失效邊界?
換句話說,不能隻停留在思想實驗,而要把「物理截斷」寫成可檢驗丶可估計丶可閉環的數學命題。
這需要極為強大的數學能力,和對物理世界同樣深刻的洞察力。
……
徐辰仿佛猜到了他們的想法。
他重新拿起白板筆,在第五塊白板上寫下一個無量綱量:
kn=λ/l
「這是克努森數。由丹麥物理學家馬丁·克努森提出,它是氣體動力學裡最重要的一把尺子。」
「λ是分子平均自由程,l是流體運動的特徵尺度。」
「當kn遠小於1時,連續介質近似成立,ns方程有效。」
「當kn接近1時,局部熱平衡假設失效,ns方程必須退場,玻爾茲曼方程接管。」
「所以,我們要證明的不是『數學奇點不存在』。」
「剛才我已經證明,數學奇點存在。」
「我們真正要證明的是:在物理流體中,任何通向這個數學奇點的路徑,都必須先穿過kn≈1的邊界。」
「也就是說,爆破還冇來得及發生,ns方程的舞臺就已經塌了。」
……
徐辰開始寫下剛才爆破證明中的尺度律。
l(t)~c?√(t?t)
‖?u(t)‖~c?/(t?t)
w(t)~c?/(t?t)
「這組關係來自前麵那個主奇異剖麵。它告訴我們,越接近爆破時間t,特徵尺度l(t)越小,渦量和速度梯度越大。」
「現在我們把物理邊界放進去。」
他在旁邊寫下:
l(t_c)=λ
「t_c是連續介質失效時刻。」
「由於l(t)會趨向0,因此在t之前必然存在一個t_c,使得l(t_c)=λ。」
「更關鍵的是,對任意t∈(t_c,t),經典ns方程所要求的連續流體結構已經不存在。此時再談ns方程的解是否趨向無窮大,就像在相對論區域裡繼續用牛頓公式計算超光速運動。」
「形式上可以算,物理上無意義。」
……
然後,徐辰寫下第二組關係。
在l≈λ的邊界層附近,將ns變量與玻爾茲曼分布函數f(t,x,v)進行匹配:
u(t,x)=∫vf(t,x,v)dv/∫f(t,x,v)dv
t(t,x)∝∫|v?u|2f(t,x,v)dv
「這裡我采用的是chapman-enskog展開的反向匹配。」
「傳統做法是從玻爾茲曼方程出發,在kn很小時推出ns方程。」
「而我這裡反過來:從ns爆破剖麵出發,追蹤它何時必然離開kn?1的區域,再用玻爾茲曼方程給出接續演化。」
「結果是,在t_c附近,宏觀速度梯度雖然快速增長,但分子碰撞項q(f,f)會引入一個新的耗散通道。」
「這個耗散不是νΔu那種宏觀黏性,而是來自微觀粒子碰撞的熵增機製。」
他寫下h定理形式:
d/dt∫flogfdxdv≤0
「這是玻爾茲曼h定理。」
……