这个问题我必须来回答一下。
去年认识了一个应用数学系的博士,就微信聊过几次天以后,他提出要送我一个手工做的小礼物,我接受了,礼物长下图这样:
是很多用硬纸板叠起来,花色各异的小方盒子,当时我也没看懂是个啥,所以没有太在意,简单感谢了后来也没有再联系。
今年年初,他又一次联系了我并发我了一篇论文,告诉我这是他的博士论文,是对去年礼物原理的一个详细解释。
论文原文出于保护隐私我就不放出了,翻译成中文的题目是:流体填充的立方体围绕轴快速旋转。
因为我确实知识水平有限,所以他发了一下总结「简单」地解释了一下论文的内容:
1.论文里的专业术语
•Libration:librational forcing is the harmonic modulation of the mean rotation rate of an object :意思是在一个匀速旋转的物体上面加上一个谐波调制。
举个例子,在这个论文里面,一个完美的正方体沿着它的中心轴(这个正方体的对角线)匀速转动,然后在它上面加上一个随时间变化的很小的一个力。
在一些时间段里这个力的方向和正方体旋转的方向相同,这时这个正方体就旋转得快一些;在另一个时间段这个力的方向刚好和旋转的方向相反,这时这个正方体就转的慢一点。
注意这个力很小,它不足以改变这个正方体本来的旋转方向,所以一个在 libration 下的正方体始终保持同一个方向旋转,只是旋转时而快时而慢。
立方体放置旋转示意图
•Inertial waves:they are a type of mechanical wave possible in rotatingfluids. Unlike surface gravity waves commonly seen at the beach or in thebathtub, inertial waves flow through the interior of the fluid, not at the surface:意思是惯性波是旋转流体中可能存在的一种机械波。与在海滩或浴缸中常见的表面重力波不同,惯性波流过流体内部,而不是表面。
在这篇论文中,一个正方体内装满一种流体(比如:水)在 librational forcing 作用下,正方体内部就会产生惯性波,那么我们主要研究的对象就是惯性波生成的物理机制,惯性波的结构以及惯性波的传递方向。
2.问题描述和数学模型
这篇论文研究的问题就是一个边长为一的完美的正方体,里面完全装满一种流体(水)。
以这个正方体的一条对角线作为它转动轴,这个转动轴的恒定转速是 107。当正方体里面的流体的转速和转轴的速度一样的时候,然后再给这个正方体一个很小的谐波调制力。
此时这个正方体就处在一个 librational forcing 下面,同时正方体内部就能产生惯性波。惯性波的传播方向是由谐波调制力的频率来决定。
在每一个特定的频率下,惯性波传播的方向总是和转动轴保持同样的夹角。整个流体在正方体中的流动速度场可以用纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes)描述,这个方程是一个偏微分方程并且没有解析解,只能用数值方法解。
当前世界上最先进的数值算法叫谱算法(spectralmethod ,这也是我的 expertise ),这个算法是上世界九十年代伴着这超级计算机的出现才逐步完善的。
运用谱算法解纳维-斯托克斯方程就可以就算出在每一个时刻在这个正方体内部每一个点流体的速度。
3.The gift to you
送给你的那个礼物呢就是我用超级计算机模拟出正方体内部的速度场之后,根据速度场再计算流体的涡旋度(vorticity)。
因为涡旋度是一个很好的物理量来度量惯性波的强度。(就好比我们说一个人很胖,就用他的体重公斤来量化他的胖,一个人很高,就用他的身高米来衡量)。
在正方体的表面,当我把涡旋度计算出来后,我用白色代表涡旋度是 0,用深红色代表涡旋度 108,那么从白色到红色的颜色过度就代表的涡旋度从低到高的每一个数值。
这样画出来的图就很好的表达了在这个正方体表面的涡旋度的强度、方向。同时我们也能看到涡旋度的结构。我选取了 10 个不同频率的谐波调制力,所以这 10 种情况下正方体内部的惯性波传递的方向是不一样,这样就生成了不同的图案。
你的名字对应的频率是 0.58,因为这刚好是一个特殊频率,小于这个值得频率会聚焦在边上的 6 个定点,大于 0.58 的会聚焦在上下的两个定点。
超级计算机模拟的正方体模型
是不是还是看不懂?
随后,他又发了我这篇连接:
世界级千禧难题「纳维-斯托克斯方程」:数学史上最复杂的公式
所以,简而言之,这人用了一种世界上最先进的数值算法——谱算法去解千禧年 7 大数学难题之一的纳维斯托克方程,来算出在每一个时刻在这个方形盒子内部每一个点流体的速度,再用不同颜色表现出频率来得到这个频率的正方体:
这个正方体是有我名字的频率 0.58 的盒子:
有我的名字数值的正方体
这真的是科学家的浪漫啊,这样的礼物我怎么能忘!
后来我朋友告诉我他的博士同事知道了这个礼物后,简直把他封为学术圈情圣,觉得浪漫到极致了。