中文大學校刊 二零零六年春‧夏秋‧冬

的。因此，湍流是有實際重要性的問題。若 我們能充分掌握及明白湍流的特性，便可更 有效地改良交通工具的設計，減少汽車和飛 機在行駛時的空氣阻力，從而節省燃油，又 或令到燃料及氧化劑混合得更均勻，達至更 有效及乾淨的燃燒。 此外，湍流亦牽引出很多至今仍未有圓 滿答案的物理問題，如「已知流體運動的物 理定律是簡單而明確的，那湍流這樣複雜及 混亂的狀態是如何產生的呢？」「我們如何 完整並準確地描述湍流的特性？」事實上， 流體運動方程始建於十九世紀，科學家自上 世紀中葉興起鑽研湍流，迄今廿一世紀，湍 流依然是物理學一個重大挑戰。 兩個硏究重點 當流體運動處於湍流狀態時，有關的物 理量包括速度、壓力及溫度，都隨時間及空 間呈現不規則和複雜的變化。基礎湍流研究 的其中一個重點，便是從這些看來雜亂無章 的變化中找出一些條理來。利用統計學的概 率分布雖然可定量描述這些上上落落的變化 (稱為漲落量)，但是，要從流體運動方程計 算這些漲落量的概率分布，是一件十分艱鉅 的工作。 湍流的一個特徵是充斥著大大小小的 漩渦。大漩渦不斷誕生，亦不斷分 裂而產生小漩渦，而小漩渦又產生 更小的漩渦。最後，流體的黏性把 最小漩渦的能量耗散了。 Lewis Richardson 將這個過程寫成一首廣為流傳的短詩： Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity, And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity. 一九四一年， Andrei Kolmogorov 利用數 學語言，將這個能量從大尺度傳送到小尺度 的圖像發展成為一個理論。雖然這個理論的 預測跟驗證結果並不完全吻合，卻已支配了 湍流研究逾半個世紀。科學家認為，該理論 跟實驗結果有出入，主因在於湍流的間歇性 特質。所以，基礎湍流研究的另一個重點， 便是去理解湍流的間歇性——亦即解決湍流 的間歇性問題。 研究成果 物理系程淑姿教授一九九零年開始鑽研 湍流理論，一九九五年獲研究資助局撥款開 展她在中大的首個湍流研究計劃——進一步 發展其博士論文研究成果 1 ，並得出利用條 件統計來研究湍流的方法 2 。根據她的方 法，任何物理量（如速度、壓力、溫度等） 漲落量的概率分布，都可經由兩個條件平均 量得出。顧名思義，那些數值是滿足了特定 程淑姿教授先後於一九八六及八八年成為香 港大學理學士及香港中文大學哲學碩士，其後往 美國芝加哥大學深造，一九九二年獲授哲學博士 學位。她曾在聖巴巴拉加州大學的理論物理研究 所從事博士後研究，一九九五年加入中大物理系 當講師，一九九九年獲華人物理學會授予亞洲物 理成就獎，表揚她在湍流研究的貢獻。她專注理 論物理學，研究興趣為非平衡及非線性系統，特 別是湍流及斷裂力學。 湍流 31