2025年12月9日，复旦大学物理学系季索清教授为复兴高一高二的同学们带来了一场主题为“湍流与天体物理”的精彩讲座。讲座以理查德·费曼对湍流难题的思考为起点，深入浅出地揭示了湍流这一经典物理现象如何贯穿从日常尺度到浩瀚宇宙的各个层次，并构建起我们理解天体物理过程的关键桥梁。
从费曼的困惑到雷诺数的桥梁
季教授首先引用了费曼在《费曼物理学讲义》中对湍流的著名论述，指出这是一个“古老而未解”的核心难题。他通过对比水管中层流的规则与湍流的复杂，生动阐释了流体运动的两种基本形态。判断这两种形态的关键是一个无量纲数——雷诺数（Re），它代表了流体中惯性力与粘滞力的较量。季教授强调，正是像雷诺数这样的无量纲参数，能够剥离具体尺度，揭示流动现象背后的普适本质，无论是水龙头下的细流，抑或是血管中的血液流动（后者接近湍流临界状态，与心血管健康密切相关）。
刻画湍流：能谱与柯尔莫哥洛夫定律
面对湍流看似无序的运动，物理学家如何描述它？季教授引入了能谱的概念——即湍流动能在不同尺度漩涡中的分布。通过“必要简化、合理猜想、数学推导”的理论物理经典路径，科莫哥洛夫得出了著名的科莫哥洛夫定律。这一定律成功描述了三维湍流中能量从大漩涡向小漩涡的级串传递过程，并被大量实验观测所验证。季教授还特别对比了二维湍流（如行星大气、海洋表层）的逆级串效应，解释了为何在二维体系中能量会向大尺度聚集，从而有助于台风等大尺度天气系统的形成与维持。
天体物理中的湍流：宇宙的常态与引擎
讲座的核心部分聚焦于湍流在天体物理中的无处不在的角色。季教授指出，宇宙中绝大多数可见物质处于等离子体态，且尺度极其巨大，导致雷诺数极高，湍流成为星际介质、恒星内部乃至星系际空间的普遍状态。
他详细阐述了湍流在多个关键天体物理过程中扮演的核心作用。
其一，恒星内部：在对流区，湍流是能量传输的主要机制。
其二，超新星爆发：爆炸产生的激波会引发剧烈湍流，影响能量输出和遗迹（如蟹状星云）的结构与演化。
其三，星系演化：湍流混合直接影响气体云的冷却、恒星形成效率以及星系的生长速度。
季教授强调，理解这些极端环境下的湍流如何传输质量、动量与能量，是当前天体物理学面临的重大挑战之一。
交流与展望
在提问环节，同学们就二维湍流的本质、宇宙湍流的观测手段、现有模型的局限性、地球外核流动状态以及未来模拟方法等话题，与季教授进行了深入交流。季教授一一作答，并鼓励同学们持续关注这一连接基础物理与前沿宇宙学的交叉领域。
总结
本场讲座巧妙地将流体力学的基础概念与天体物理的前沿问题相融合。季索清教授通过清晰的物理图像、生动的实例和严谨的推导，不仅系统梳理了湍流研究的基本框架，更精彩地展示了如何用一个地球上的物理原理去解开星河深处的奥秘。这场讲座启示我们，许多基础物理难题的答案，或许正藏在广袤的宇宙深处，激励着我们在当下与未来不断探索。
