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第五百六十九章 千禧年七猜想之六:纳维-斯托克斯方程解的存在性与光滑性

    纳维-斯托克斯方程

    描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。简称n-s方程。

    1827年,纳维说:“我提出了粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。我只考虑了不可压缩流体的运动。”

    1831年,泊松说:“我考虑了可以压缩的情况。”

    1845年,斯托克斯说:“我独立提出粘性系数为一个常数的形式。”

    路人甲说:“后来大家称此为纳维-斯托克斯方程,又叫ns方程。”

    路人乙说:“看似描绘生活中最简单的现象,但确实物理界最难的方程。为什么那么难?”

    路人甲说:“因为跟湍流有关系。这是一种再常见不过的现象。无论是在3万英尺高空飞行时颠簸的气流,还是家里浴缸出水口形成的漩涡,本质都是湍流。然而,熟悉的湍流却是物理世界中最难以理解的部分之一。”

    路人乙说:“我知道。一条平稳流动的河流,是一个典型的无湍流体系,河流的每一部分以相同的速度运动。湍流则打破了这一规律,使得水流不同部分的运动方向和运动速率都不相同。物理学家将湍流的形成描述为:首先,平稳流动中出现一个涡流,这个涡流中会形成更多小涡流,小涡流进一步分化,使得流体被分解成许多离散的部分,在各自运动方向上与其他部分相作用。”

    路人甲说:“科学家们希望理解的是,平流如何一步步瓦解成为湍流、已产生湍流的体系之后的形状是怎样演变的。但千禧年大奖悬赏的是更为简洁的问题:证明方程的解总是存在。换句话说,这组方程能否描述任何流体,在任何起始条件下,未来任一时间点的情况。”

    来自普林斯顿大学的数学家charliefefferman说道,“第一步就是要尽力证明这些方程可以产生一些解,尽管这并不能让我们真正理解流体的行为,但不这样做,就完全无法入手这个难题。”

    路人乙说:“如何证明那些解存在呢?首先可以考虑方程在什么条件下会“无解”。”

    路人甲说:“纳维-斯托克斯方程组涉及流速、压力等物理量的变化。”

    路人甲说:“运算这组方程,经过有限的时间,系统中出现一个以无限速度运动的粒子。那样就会很麻烦:对于一个无限大的量,我们无法计算出它的变化。数学家们把这种情况称为“发散”。在“发散”的情况下,方程失效,解也就不复存在。”

    路人乙说:“证明“发散”的情况,或者说方程解总是存在,不会发生,等同于证明流体中任何粒子的最大运动速率,被限制在某一有限的数值之下。相关物理量中,最重要的量是流体中的动能。”

    路人甲说:“当我们用纳维-斯托克斯方程对流体建模