巨浪的统一理论[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]
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原理 [color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]2 days ago
海洋远比我们想象得更加凶险。从很久以前，水手之间就流传着对异常巨浪（rogue waves）的传说，但直到二十多年前，我们才对这种巨浪有了确凿的记录：1995年1月1日，一股巨浪袭击了挪威北海的Draupner石油平台，平台所配备的激光测量装备捕捉到了这个从平均11.8米的海浪中异军突起的25.6米高的巨浪。
○ 在北大西洋西部拍摄到的巨浪照片。 | 图片来源：M. A. Donelan & A. K. Magnusson
在海洋学中，异常巨浪是指在比平均的波浪要大得多的海浪，这些罕见的海浪高度可超过30米，对海上航行的船只构成了严重威胁。2008年，一篇由挪威和夏威夷的数学家和海洋学家发表的综述性论文就提及了，仅在20世纪下半叶，这种海上超级巨浪就可能袭击了22艘超级航母和500多条生命。
物理学家想要了解这种庞然大物是如何出现的。与由地震引发的海啸不同，迄今为止，异常巨浪的成因仍然是个谜。我们几乎无法预测它们出现的时间和地点，在弄清它们从何而来之前，就已消失得无影无踪。在过去20多年里，从对巨浪展开的多项理论、数值，以及实验研究中，科学家发现巨浪是光学、等离子体学、经济学和气候学中普遍存在的现象。
目前，对于海上的异常巨浪的形成机制有两种主要理论，一种认为它们的起源是由线性干扰造成的，另一种认为非线性效应才是其中的关键。
线性阵营的支持者将异常巨浪事件归因于波之间的相长干涉。他们认为，当以不同速度传播的海浪的波峰重叠时，这种简单的叠加便可以形成局部的超级巨浪。非线性阵营的支持者则认为，波与波之间的相互作用应该更加复杂，波与波之间可以传递能量，非线性效应可以导致出现所谓的Peregrine孤子（非线性薛定谔方程的一个解），这种波的特征是具有一个先突然增长再消失的孤立高峰，它们与超级巨浪有很多相似之处，这使得它们成了解释超级巨浪形成的一个有力假说。
这两种对立的思想都可以描述在实验室的波池中形成的巨波，但是，关于哪个才是主导了海洋中的巨浪形成的机制，仍存在激烈的争议。
2019年9月，物理学家John Dudley等人在《自然综述：物理》期刊上发表了一篇综述文章，他们在参阅了数百篇相关论文之后，利用海浪在海洋中与光波在光纤中的传播的相似性总结道：海洋超级巨浪的出现应该是由线性和非线性机制共同引起的，但其程度取决于具体的风况和海况条件。线性叠加可以解释一些异常巨浪的产生，但在一些特殊情况下，非线性现象可能更占主导作用，这两种机制的结合共同将海浪推向了不可思议的高度。
2019年12月，物理学家Giovanni Dematteis与他的合著者们于《物理评论X》发表了一项最新研究，他们发展了一个通用的统计框架，可以在无论主导机制是线性模型还是非线性模型的情况下，预测出任何异常巨浪出现的概率。这一模型的关键就在于理解那些罕见事件是如何发生的。
在这项新的研究中，他们的巨浪理论是基于物理学中一种名为瞬子的数学实体展开的。瞬子理论适用于从接近线性到完全非线性的波的传播，它最初是在量子色动力学（QCD）的框架下提出的，QCD是一个描述夸克和胶子之间的相互作用的理论。
瞬子是一种波形，可通过一种基于大偏差理论的方法来进行计算。大偏差理论也被称为是处理罕见事件的理论，它被用于定量描述罕见事件是如何发生的。简而言之，我们可以将瞬子理解为最有可能导致可能性极小的事件出现的存在。
在描述有非线性情况存在的随机的波动场方面，瞬子理论是一种非常强大的工具。例如在流体力学中，它被用于描述湍流的一些特定区域。在新的研究中，研究人员用一种瞬子来估计异常巨浪出现的可能性及形状，并将这种瞬子理论应用于一系列的实验中。
他们在一个用于进行巨浪实验的长约270米的水槽中，使用造波器来产生不同波长、相位随机的正弦波，以此来简单模拟海洋中的情况。在实验中，研究人员会记录下水面高度随时间的变化。
○ 用于进行巨浪实验的长约270米的水槽装置，在水槽的一端有一个造波器，可以产生随机分布的波。| 图片来源：G. Dematteis et al.
这个实验装置的一个关键特点在于，研究人员通过控制输入的随机波的频谱来调整线性和非线性效应的相对效应。他们在这种控制下可以偶尔制造出振幅远超平均水平的极端波浪，从而使研究人员可以识别并描述出这些极端事件以及它们的发生前兆。
此外，他们发现在非线性极强的情况下，利用这种瞬子理论计算出的异常巨浪的波峰形状与Peregrine孤子的波峰十分相似。这表明，他们的瞬子理论包含了由Peregrine孤子所描述的特殊情况。而且与Peregrine孤子相比，他们的瞬子理论还可以对远离波峰的尾部波形进行更恰当的描述，这是Peregrine孤子无法做到的。
研究人员认为，这种瞬子理论能较为全面地描述在不同介质、不同状态下的异常巨浪。与过去的方法相比，这种理论的一个重要优点是它可以应用于更复杂、与现实的海洋更为相似的情况。研究人员相信，新的结果将能促进对异常巨浪的形成和预测的研究。他们希望接下来能够创造出可以检验这一理论的实验装置。
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发表于 2020-2-24 16:53
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