作者保罗·瑞文伯格，麻省理工学院 信用:CC0公共领域 在撰写博士论文的路上
D
论文中，卢西奥·米兰内塞有了一个发现——这个发现重新聚焦了他的研究，现在很可能会主导他的论文
米兰内塞研究等离子体，一种类似气体的离子和电子流，构成了99%的可见宇宙，包括地球的电离层、星际空间、太阳风和恒星环境
像其他流体一样，等离子体经常处于以混乱、不可预测的运动为特征的湍流状态，这给试图理解宇宙或希望利用燃烧等离子体获得聚变能量的研究人员带来了多重挑战
米兰内塞对物理学家理查德·费曼所说的“经典物理中最重要的未解决问题”——湍流感兴趣
在这种情况下，焦点是等离子体湍流，它的性质和结构
“假设你用勺子搅拌一杯茶:你正在制造一个漩涡，一个杯子大小的漩涡
这个大尺度的漩涡最终被分解成更小的漩涡，这些漩涡剪切成越来越小的结构
最终，这个级联将产生足够小的结构，它们将消散，能量将转化为热量
" 在最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，米兰内塞提出了一种新发现的机制，称为“动态相位排列”，以揭示湍流是如何将能量从大尺度转移到小尺度的
米兰人，核科学与工程博士
D
等离子体科学和聚变中心的候选人称这一发现是“湍流一般理论的基石”
" “动荡是复杂和混乱的，但它并不是完全无法无天的:整体动态必须服从一些约束，”米兰内塞说
“一个普遍的机械约束是能量必须守恒
在我们研究的系统中，还存在一个拓扑约束:螺旋度的总量——旋涡扭曲和螺旋的程度——是守恒的
" 米兰内塞解释说，这两种守恒定律适用于所有物理尺度，除了最小的尺度，在最小的尺度下耗散不再被忽略
“对于由我们所考虑的方程建模的系统类型——有很多——如果我们开发一个只考虑能量守恒的湍流模型，我们将不可避免地违反螺旋度守恒的约束
我们能够通过揭示动态相位校准的新机制来解决这个明显的矛盾
" 米兰人因此对一个普遍观察到的现象提供了解释，他称之为“能量和螺旋度的联合级联”
“这种级联模式在米兰人一直在研究的等离子体系统中观察到，比如电离层、太阳风和日冕
米兰内塞观察到，就像勺子给一杯茶带来能量和螺旋度一样，太阳表面等离子体的运动将这些量“注入”太阳风和日冕
一旦发生这种情况，级联开始，能量和螺旋度保持不变，直到湍流涡旋消散
在米兰人探索的等离子体系统中，螺旋度(扭曲度)的大小取决于磁场和电场波动的密切程度
在大尺度下，当系统中存在大量螺旋度时，从统计上看，如果电势(电压)很大，局部磁势波动也会很大
随着大尺度结构分解成小尺度结构，这种情况逐渐改变，如果电势局部较大，磁势波动将较小，接近于零(反之亦然)，这种情况变得越来越可能
“我们发现，随着大尺度结构分解成小尺度结构，磁势和电势波动变得越来越相关
这是一个显著的例子，说明湍流等离子体是如何根据机械和拓扑约束进行自组织的
" 这种动态相位排列的发现提供了一个新的视角来观察其他湍流系统
米兰内塞和他的同事发现，他们用来描述等离子体的模型方程在数学上与那些描述快速旋转的非电离流体流动的动力学方程相同，比如飓风和龙卷风
这一新范式的发现是建立在他的顾问努诺·洛雷罗教授和洛雷罗的合作者、威斯康星大学的斯坦尼斯拉夫·博尔迪列夫教授开发的理论框架之上的，该理论框架描述了由电子和正电子——电子的反粒子——组成的等离子体的动力学
米兰人开始与苏黎世联邦理工学院的交换生马克西米连·达施纳合作，通过数值模拟来探索这一理论框架的有效性
“对UROP来说，这是一个很好的数字项目，”米兰人说
“我们认为我们将在六个月内完成并发表一篇论文
但是两年后，我们仍然在寻找有趣的结果
" 伦敦玛丽女王大学物理和天文学院的欧内斯特·卢瑟福研究员、太阳风湍流观测专家克里斯托弗·陈评论了这一发现的意义
“理解等离子体湍流是解决等离子体天体物理学中一些长期存在的问题的关键部分，例如日冕是如何加热的，太阳风是如何产生的，宇宙中的磁场是如何产生的，以及高能粒子是如何加速的
本文的结果很重要，因为它们提供了对在这种等离子体中运行的关键普遍过程的新的理解
这篇论文也很有意义，也很及时，因为它预测了我们可以用帕克太阳探测器和太阳轨道飞行器进行测试，这两个航天器目前正在近距离研究太阳
" 在离家更近的地方，这项工作与德国等离子体物理研究所即将进行的实验有关
这些实验将在一个磁笼中捕获大量的电子和正电子，使研究人员能够研究这样一个系统的特性，尽管其温度远低于天体物理环境中通常观察到的温度
米兰内塞预计这个系统将会动荡不安，并相信它有可能被用作他的想法的实验室测试平台
米兰内塞观察到，对动态相位对准的进一步研究已经成为他论文的主要内容
他目前正致力于扩展这项工作的适用性，使其包括比他已经探索过的等离子体和快速旋转流体类型更广泛的流体
他很快也会拓宽自己的视野
明年，他将进入中国清华大学，成为2022年施瓦茨曼学者班的一员
这个为期一年、资金充足的外交硕士项目将为他提供公共政策、经济、商业和国际关系方面的机会
米兰内塞期待着探索创建全球聚变能源产业的商业和政策方面——这依赖于对等离子体湍流的深入理解，这是他的主要关注点
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
