1869年，19世纪伟大科学家William Thomson (Lord Kelvin) 发表了著名的速度环量守恒定律的论文。他的结果等同于19世纪另一位科学巨匠Hermann von Helmholtz在1858年证明的一个定理，这一结论现在称为开尔文-赫姆霍兹定理，它被用来解释很多重要的流体现象，如飞机升力的产生，湍流阻力和量子涡线在超流中的运动。

近日，北京大学工学院陈十一教授和美国约翰霍普金斯大学以及洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员在流体湍流中拓展了这个定理，有着150年历史的Kelvin-Helmholtz定理在湍流中得到发展。

他们指出经典的开尔文定理在流体湍流中将失效，从而必须采用他们的新理论。

速度环量定理很容易通过涡线的运动来理解：旋转的柱状流体，如大气中的龙卷风或者浴缸下水口形成的漩涡都有涡束。开尔文-赫姆霍兹定理表明在流体粘性系数很小，或者说“粘性”可以忽略的情况下，涡线必须“和流体一起运动”。换句话说，不管流体运动多么复杂和多么混乱，最开始在流线上的流体质点在以后还会一直在那根涡线上。吸烟产生的烟圈就是一个很好的说明。我们之所以能用肉眼看到烟圈，是因为有烟尘在里面。开尔文-赫姆霍兹定理的作用使得涡线上的烟尘颗粒会一直“系”在涡线上，而逃不出烟圈。只有经过很长时间，烟才会消散掉，一方面是因为烟圈的扩大，另一方面是因为开尔文定理忽略了细微的扩散作用。一般认为，扩散作用越小，开尔文定理就越准确。

陈十一教授和他的研究团队发现这种预期是错的。开尔文定理在流体粘性系数趋近于零的情况下并不成立。在粘性系数很小的情况下，尽管分子运动引起的涡量扩散很小，但是湍流也会应运而生，流体速度场变化非常剧烈，并导致奇异性，从而破坏了开尔文定理中流场平滑的潜含假定。这时湍流和速度场的奇异性成为扩散的主要因素。事实上，奇异性对守恒律的作用以前也有过类似的研究。1949年，耶鲁大学的化学家 Lars Onsager发现，由于流体奇异性的存在，经典的能量守恒定理在湍流中并不一定成立。Onsager的观点在当时并没有被广泛接受，但是后来他的发现被数学家证明。当粘性系数趋近于零时，由于非线性动力学影响，流体能量会向小尺度传递，因此湍流中仍会有能量耗散，这和量子场论中的守恒律奇异相似。量子电动力学里的轴向奇异性可以让介子蜕变成光子。

该成果预期将对工程、地球物理和天体物理中许多问题产生重大影响。这个新发现和等离子物理中的阿尔芬定理和奇异量子现象，如超流中的耗散相滑移和基本粒子物理中的守恒奇异性等相关。他们的工作结果已发表在今年10月6日的《物理评论快报》：http://scitation.aip.org/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id=PRLTAO000097000014144505000001&idtype=cvips 

编辑：商伟