超市里就能买到的沙拉酱是模仿核聚变重要进程的好资料，便是不知道他们怎样请求报销。
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撰文 Helena
修改 戚译引
在吃沙拉或汉堡包的时分，你有没有留心过里边甜丝丝的白色酱汁？这种蛋黄酱是西餐中“出圈”最成功的一种沙拉酱，它有着低沉的香味和粘稠的口感，合适给许多食物当副角。不过，一位流体力学专家为蛋黄酱开发了全新用处，那便是模仿核聚变进程。
美国理海大学（Lehigh University）机械工程与力学系副教授、流体力学研讨者阿林达姆·班纳吉（Arindam Banerjee）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十分类似，是研讨核聚变的好资料，所以愉快地用它做了一系列模仿试验。
核聚变中的流体力学困扰
受控核聚变被视为未来的“终极动力”，许多人致力于研讨怎么让它提早成为实际。核聚变的发作需求极高的温度和压力，让原子核具有满足的动能，战胜静电排斥力“聚”在一起发作反响。现在有两种干流的方法来发明这样的条件：一种是磁环流捆绑，用强磁场将等离子体捆绑在特定的空间中，例如甜甜圈一般的托卡马克设备；另一种是惯性捆绑聚变，用粒子自身的惯性使它们聚在一起。
惯性捆绑聚变的“燃料”被称为靶丸，它含有毫克级的氘和氚，巨细在毫米量级。用激光照射靶丸外表时，靶丸敏捷向内被紧缩，当到达临界状况时，将诱发核聚变反响。这个关键环节被称为爆聚。
靶丸爆聚进程示意图，图片来历：Wikipedia
这样一个听起来如此酷炫的反响，却被一个小小的流体物理学问题严峻限制着——因为靶丸金属外壳和气体的交界处存在瑞利-泰勒不安稳性（Rayleigh-Taylor instability，又称 RT 不安稳），构成流体扰动，燃料简略在靶丸内没有紧缩至聚变条件时就提早爆破。
RT 不安稳在生活中十分常见。比方本年盛行的“脏脏茶”里，奶茶和黑糖混合发作的斑纹便是 RT 不安稳的表现。假如你把杯子倒过来，让密度大的糖浆在上面，密度小的奶茶鄙人面，还能看到一股股的糖浆顺着杯壁往下流。详细而言，RT 不安稳发作在两种不同密度的资料之间，在资料界面密度梯度与压力梯度方向相反的时分。“在重力或任何加快场的存鄙人，两种资料会像‘手指’相同相互浸透，”班纳吉说。
牛奶和冰咖啡混合发作的斑纹也是相同的原理。图片来历：Pixabay
在更大的尺度上，大气中冷暖空气的相遇，河流入海口水流交汇时的扰动，大气电离层中由太阳辐射导致的环流和湍流，乃至超新星迸发进程中的一些现象，都是 RT 不安稳的表现。
简略来说，RT 不安稳意味着不均匀、不受控的骤变和扰动。这样一个无处不在的现象却在受控核聚变进程中构成了大费事，让受控核聚变成了“不受控”——这种事物理学家可不容许。
给靶丸找个“替身”
为了研讨这个问题，物理学家们又遇到了新的问题。核聚变不只物理进程时刻短，还需求严苛的反响条件，这对试验室观测构成了困难。能不能用简略的方法模仿核聚变，少花点经费，多做点试验呢？
早在几年前，班纳吉就发现了一个优异的“替身”，那便是某品牌蛋黄酱（是的，他一向买同一款）。这种蛋黄酱含有 80% 的植物油、8% 的水和 2% 的其他规范配料，它在低温下的弹塑性和高温下熔化的金属十分类似。
班纳吉带领团队，用低温下的蛋黄酱模仿高温下的靶丸金属外壳，使用高速摄像和图画处理算法，观测并核算了 RT 不安稳的相关参数。他们将冷藏的蛋黄酱倒进一个有机玻璃容器内，上方再扣一个相同的空容器，让蛋黄酱和空气构成密度梯度。这个容器将被固定在加快离心旋转轮上，蛋黄酱挨近转心；当转轮开端滚动时，蛋黄酱会在离心力效果下与空气混合。
如下图：
(a) 处于初始状况的蛋黄酱；
(b) 3D 扰动的初始界面，λ=60mm，ξi=4mm；
(c) 2D 扰动的初始界面，λ=60mm，ξi=4mm；
(d) 3D 扰动示意图，λ=60mm，ξi=4mm；
(e) 扰动的前视图，图中标示了初始波长 λ 和振幅 ξi。
图片来自论文，DOI：10.1103/PhysRevE.99.053104
一台高速 CCD（500 帧/s）对准蛋黄酱与空气界面处，记载即将发作的 RT 不安稳现象。试验进程还需求严格控制时刻，以保证蛋黄酱一向保持在弹性形变范围内，防止因“过劳”而发作塑性形变，搅扰试验成果。
让蛋黄酱摇晃起来
试验发动，蛋黄酱开端了它的扮演。班纳特使用三轴数控机床切削导轨发作严格控制的准确余弦振荡波，并传递到蛋黄酱上构成初始扰动，一起让滚轮滚动起来，观测扰动的成长和改动。经过进一步改动波长和振幅组合，他们就能充沛研讨不同条件下蛋黄酱的“失稳阈值”。
研讨发现，蛋黄酱外表扰动余弦波可用下面的公式进行描绘：
x = ξicos(2π y/λ)
ξi代表振幅，而 λ 代表波长（即玻璃容器宽度）。
如下图，选用 MATLAB 对图画进行处理和核算，
(a) 初始图画，λ=60 mm，ξi=4 mm，3D 界面；
(b) 边际提取和等高线（标明旋转）；
(c) 扰动成长之前，蛋黄酱波峰坐落中心；
(d) 扰动成长并挨近极大（失稳），波峰违背法线轴。
图片来自论文，DOI：10.1103/PhysRevE.99.053104
怎么稳住一坨蛋黄酱
一系列二维和三维扰动试验的成果均标明，减小初始振幅和波长有助于构成更安稳的界面，让失稳需求的临界加快度变大。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安稳。
图为三维扰动下蛋黄酱的失稳进程，波长为 60 mm，振幅从上到下分别为 6 mm、4 mm、2 mm 和 1 mm，t′ 单位为秒。
图片来自论文，DOI：10.1103/PhysRevE.99.053104
图为二维扰动下蛋黄酱的失稳进程。波长为 60 mm，振幅从上到下分别为 6 mm、4 mm、2 mm 和 1 mm，t′ 单位为秒。
图片来自论文，DOI：10.1103/PhysRevE.99.053104
关于 RT 不安稳的发作条件，学术界一向存在两种不同的观念：有人认为是界面初始条件决议了失稳的发作，也有人认为是部分剧烈骤变导致了失稳的发作。而班内特的研讨支撑了第一种观念，即失稳取决于动摇界面的初始条件，初始振幅和波长越小，失稳所需求的加快条件就越高。这篇论文宣布在本年 5 月的Physical Review E上。
班纳吉总结说，当时 RT 不安稳性的研讨目标首要限于流体，关于加快固体中不安稳性的演化进程还所知甚少。加快固体时刻尺度短，丈量不确定度大，研讨起来十分具有挑战性。蛋黄酱研讨为核算机模仿供给了有价值的数据，也让他们可以进一步拆分问题，比方怎么改善外壳资料。
考虑到 RT 不安稳在自然界中的广泛存在，这些研讨或许还能对大气科学、天体物理等范畴带来启示。或许这便是物理学的诱人之处——沙拉酱与奶茶，河流与星空，竟能被归入相同的公式之中。
