北京
你大概想不到，一种在漫画书广告里被叫作"海猴子"的小生物，会帮物理学家改写一条关于湍流的规则。
这种小生物其实是卤虫（brine shrimp），体长约一厘米，游泳时肚皮朝上，腿疯狂摆动，拖着一截细长的腹部像尾巴一样跟在身后。科学家最近发现，这些小家伙能做的事，比"把自己挪个位置"要多得多。
长期以来，研究人员认为，在像水流这样的湍流系统里，能量的流动方向只有一个——要么从大尺度流向小尺度，要么反过来，取决于系统的维度。但在观察这种不起眼的卤虫时，科学家意识到，只要做一点微小的调整，能量的流向就可以被逆转。
他们发现，只要用一个角度恰到好处的小障碍物去扰动系统的流动，就能在二维系统里"指挥"能量的级联方向。领导这项新研究的工程师Lei Fang说："几何形状很重要。"
一条被写进诗里的规则
湍流这东西其实很难被忽略。它搅起瀑布底部喧闹的泡沫，塑造碎浪的浪尖；它藏在飞机颠簸里，藏在咖啡杯中牛奶的漩涡里，也藏在太阳表面等离子体的翻滚里。意大利巴里理工大学的水动力学专家、土木工程师Francesca De Serio说："我们在生活中到处都能观察到湍流，去海滩的时候，洗手的时候。"
一个湍流系统很复杂，充满复杂的力和内部的混乱。但它的起点可以很简单。比如，当流动的流体遇到一个障碍物，改变了部分流动的速度，湍流就出现了。在河里，水因为摩擦在岸边减速，速度的不匹配会产生涡旋；当河流分开绕过一块石头，速度改变，空隙形成，水跌落到自己身上，可能就开始旋转。空气也是流体，它的湍流由相互竞争的洋流和变化的温度产生。
在这样的系统里，能量在不同尺度之间移动。英国数学家和物理学家、现代天气预报的奠基人Lewis Fry Richardson在研究大气中气体形成的流体系统时发现了这一点。他发现，一个大涡旋的动能会喂给越来越小的涡旋，直到抵达黏性——也就是抵抗运动的力——接管的那一尺度，能量最终以热的形式耗散掉。1922年，Richardson用一首诗记录下这个概念：
大漩涡有小漩涡
它们靠速度进食，
小漩涡有更小的漩涡
如此直到黏性。
从20世纪40年代初开始，苏联数学家Andrey Kolmogorov为湍流研究提供了清晰而严谨的数学基础。但他的工作，和Richardson一样，主要聚焦于三维系统——能量从大尺度流向小尺度。
到了20世纪60年代末，物理学家Robert Kraichnan和George Batchelor把研究扩展到了二维系统。二维湍流系统包括木星大红斑这样的现象——它旋转得如此剧烈，以至于压倒了大气层更深处的一切运动。这类二维湍流系统像三维系统一样，把能量从一个尺度转移到另一个尺度，但有个转折：二维湍流系统的能量级联方向是相反的，从小涡旋向上流向大涡旋。在木星大红斑里，边缘附近较小的涡旋和旋涡，喂养着中心那个巨大的漩涡。
在这些开创性研究报告了二维系统中的逆向通量之后的几十年里，物理学家并没有深入追问这些流动是否是固定的。2021年前后，当Xinyu Si作为Fang实验室的学生开始研究卤虫时，二维湍流系统的底层能量机制肯定不在他脑子里。
游在能量流里
Fang的实验室聚焦于"活性物质"，这是物理学里描述那些自己会动、并向环境注入能量的东西的术语。这个标签足够宽泛，既包括细菌这样的生物网络，也包括微型机器人这样的非生命体。
在这个项目里，Si和Fang感兴趣的是：在出现湍流的流体中，生物游泳者是如何混合物质的。研究人员曾假设，在大型自然系统的流体混合中，微小生物产生的湍流扮演着一个被低估的角色。毕竟，数以十亿计的微小生物搅动着世界上的水道。
为了在简单模型里仔细研究这一点，Si把一层薄薄的盐水倒在槽中的玻璃表面上，并在下方放置磁铁。当他向这种导电液体施加电流时，电流与磁铁相互作用，在水中产生运动，水沿着通道的一侧朝一个方向流动，在另一侧朝相反方向流动。
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