用沙拉酱模拟核聚变，这种事只有物理学家做得出来。科研圈中科院物理所2019-10-14 11:01:45转自公众号：科研圈。超市里就能买到的沙拉酱是模拟核聚变重要过程的好材料，就是不知道他们怎么申请报销。美国理海大学机械工程与力学系副教授、流体力学研究者阿林达姆·班纳吉几年前就发现，一种蛋黄酱在低温下的性质和高温高压下的熔化金属非常相似，是研究核聚变的好材料，于是愉快地用它做了一系列模拟实验。
受控核聚变被视为未来的“终极能源”，许多人致力于研究如何让它早日成为现实。核聚变的发生需要极高的温度和压力，让原子核具备足够的动能，克服静电排斥力“聚”在一起发生反应。目前有两种主流的方法来创造这样的条件：一种是磁环流约束，用强磁场将等离子体束缚在特定的空间中，例如甜甜圈一般的托卡马克装置；另一种是惯性约束聚变，用粒子本身的惯性使它们聚在一起。
这样一个听起来如此酷炫的反应，却被一个小小的流体物理学问题严重制约着——由于靶丸金属外壳和气体的交界处存在瑞利-泰勒不稳定性，造成流体扰动，燃料容易在靶丸内尚未压缩至聚变条件时就提前爆炸。RT不稳定在生活中十分常见。比如今年流行的“脏脏茶”里，奶茶和黑糖混合产生的花纹就是RT不稳定的体现。如果你把杯子倒过来，让密度大的糖浆在上面，密度小的奶茶在下面，还能看到一股股的糖浆顺着杯壁往下流。
具体而言，RT不稳定发生在两种不同密度的材料之间，在材料界面密度梯度与压力梯度方向相反的时候。这样一个无处不在的现象却在受控核聚变过程中造成了大麻烦，让受控核聚变成了“不受控”——这种事物理学家可不答应。为了研究这个问题，物理学家们又遇到了新的问题。核聚变不仅物理过程短暂，还需要苛刻的反应条件，这对实验室观测造成了困难。能不能用简单的方式模拟核聚变，少花点经费，多做点实验呢？
早在几年前，班纳吉就发现了一个优秀的“替身”，那就是某品牌蛋黄酱（是的，他一直买同一款）。这种蛋黄酱含有80%的植物油、8%的水和2%的其他标准配料，它在低温下的弹塑性和高温下熔化的金属非常相似。班纳吉带领团队，用低温下的蛋黄酱模拟高温下的靶丸金属外壳，利用高速摄像和图像处理算法，观测并计算了RT不稳定的相关参数。
他们将冷藏的蛋黄酱倒进一个有机玻璃容器内，上方再扣一个同样的空容器，让蛋黄酱和空气形成密度梯度。这个容器将被固定在加速离心旋转轮上，蛋黄酱靠近转心；当转轮开始转动时，蛋黄酱会在离心力作用下与空气混合。实验启动，蛋黄酱开始了它的表演。班纳特利用三轴数控机床切削导轨产生严格控制的精确余弦振动波，并传递到蛋黄酱上形成初始扰动，同时让滚轮转动起来，观测扰动的生长和变化。
通过进一步改变波长和振幅组合，他们就能充分研究不同条件下蛋黄酱的“失稳阈值”。研究发现，蛋黄酱表面扰动余弦波可用下面的公式进行描述：x = ξi cos(2π y/λ) ξi 代表振幅，而 λ 代表波长（即玻璃容器宽度）。一系列二维和三维扰动实验的结果均表明，减小初始振幅和波长有助于形成更稳定的界面，让失稳需要的临界加速度变大。此外，在等效初始条件下，三维扰动比二维扰动更有利于界面稳定。
关于RT不稳定的发生条件，学术界一直存在两种不同的观点：有人认为是界面初始条件决定了失稳的发生，也有人认为是局部剧烈突变导致了失稳的发生。而班内特的研究支持了第一种观点，即失稳取决于波动界面的初始条件，初始振幅和波长越小，失稳所需要的加速条件就越高。这篇论文发表在今年5月的Physical Review E上。
班纳吉总结说，当前RT不稳定性的研究对象主要限于流体，对于加速固体中不稳定性的演化过程还所知甚少。加速固体时间尺度短，测量不确定度大，研究起来非常具有挑战性。蛋黄酱研究为计算机模拟提供了有价值的数据，也让他们能够进一步拆分问题，比如如何改进外壳材料。考虑到RT不稳定在自然界中的广泛存在，这些研究也许还能对大气科学、天体物理等领域带来启发。
或许这就是物理学的迷人之处——沙拉酱与奶茶，河流与星空，竟能被纳入同样的公式之中。