北京
研究人员使用大规模原子/分子大规模并行模拟器（LAMMPS）——一种分子动力学工具，追踪尘埃等离子体中的每一个粒子。
印度理工学院查谟分校的研究人员与印度理工学院坎普尔分校的同事合作，利用超级计算机模拟，以理解一种称为尘埃等离子体的特殊物质状态中混沌的微观根源。这项研究需要追踪数百万个单个粒子，从而揭示了湍流的本质，并为核聚变和天文学研究开辟了新途径。
基础学校科学教育告诉我们，物质存在三种状态：固态、液态和气态。然而，还存在第四种物质状态，称为等离子体，其中物质的最小单位——原子，与围绕其带正电原子核运行的电子（即带负电的粒子）分离。结果就形成了一锅由带正电的原子核和周围带负电的电子组成的“汤”。
当微小的固体尘埃颗粒加入这种混合物时，它们会获得电子的负电荷并相互影响。这就称为尘埃等离子体。当这种等离子体处于强耦合状态时，尘埃颗粒无法相互飞越，而是表现得像弹性橡胶。这些颗粒还会产生复杂的旋涡图案，将这种运动转化为热量，从而导致混沌或湍流。这在核聚变反应堆中可能是一个重大缺陷，因为它会阻止反应堆达到能源生产所需的温度。
混沌的类型
印度研究人员重点关注了流体中常见的两种混沌类型：开尔文-亥姆霍兹不稳定性和瑞利-泰勒不稳定性。开尔文-亥姆霍兹不稳定性是指两层流体以不同速度相互滑过，就像风吹过海面一样。
在瑞利-泰勒不稳定性中，两层流体相互叠置，较重的一层位于较轻的一层之上。研究人员借助一种名为大规模原子/分子大规模并行模拟器（LAMMPS）的分子动力学工具，该工具能够追踪尘埃等离子体中的每一个粒子，并识别出涡旋的大尺度旋涡能量开始抖散为单个粒子微观运动的时刻。
研究人员发现，能量流动在达到热平衡之前遵循一种数学模式，并且尘埃粒子之间的耦合越强，这一过程越慢。在强耦合状态下，加热和混合的延迟导致等离子体表现出类似弹性湍流的行为。
这项研究为何重要
传统的流体方程（如纳维-斯托克斯方程）没有考虑物质的颗粒性，因此无法准确预测复杂系统中能量在最小尺度上是如何损失的。利用LAMMPS模拟器，该团队成功地从数十亿个单个粒子的混沌行为中恢复了连续介质行为，从而帮助弥合了微观粒子物理学与宏观流体动力学之间的鸿沟。
弥合这一鸿沟不仅有助于解决核聚变问题以及我们对清洁能源的追求，还能帮助我们更好地理解宇宙。瑞利-泰勒不稳定性对超新星爆炸和火山喷发都至关重要，这项研究将帮助天文学家和地球物理学家预测能量如何在这些系统中移动。
研究人员还指出了他们工作的局限性，因为模拟是在二维条件下进行的，尽管世界上的大多数现象都是三维的。尽管小尺度下的尘埃等离子体会以二维方式组织自身，但研究人员计划未来进行三维模拟。
研究结果发表在《哲学汇刊A》上。
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