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湍流無處不在——它讓我們的飛機發出刺耳的聲音，在我們的浴缸裡形成微小的漩渦——但它是經典物理學中最難以描述（解釋）的現象之一。
當有序的流體流動分裂成小漩渦，這些小漩渦相互作用，甚至分裂成更小的漩渦，這些小漩渦再相互作用，如此不斷分裂下去，就形成了混亂無序的混亂大漩渦，讓湍流漂流變得有趣起來。
但是，這種陷入混亂的機制困擾科學家們幾個世紀了。
當物理學家們不理解什麼東西時，他們有一個解決辦法：把它打碎。想了解宇宙的基本組成部分嗎？粉碎粒子，然後再結合在一起。想要揭示湍流的基本機制嗎？那就「粉碎」漩渦。
哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院的研究人員可能已經確定了湍流發展的基本機制，即將渦流環正面朝上砸向對方，用超高解析度相機記錄結果，以及使用3-D可視化程序重建碰撞動力學。加上休斯頓大學和ENS de Lyon的合作者進行的數值模擬分析，研究人員對流體系統如何從有序轉變為無序有了前所未有的見識。
這項研究發表在《科學進展》雜誌上。
漩渦大炮在75加侖的水族館中射擊以產生漩渦。每個渦流都染有不同的顏色，因此研究人員可以觀察它們如何相互作用。「我們預測天氣的能力，理解為什麼一架波音747在尾流湍流的情況下仍能飛行，以及確定海洋中的全球流動，取決於我們對湍流建模的好壞，」海洋應用物理學副教授、論文通訊作者施米爾魯賓斯坦表示。「然而，我們對湍流的理解仍然缺乏一個機械學的描述，來解釋能量如何在越來越小的尺度級聯，直到最終消散。這項研究為這種理解打開了大門。」
休斯頓大學機械工程助理教授、論文通訊作者Rodolfo Ostilla-Monico說：「試圖搞清楚像湍流這樣極其複雜的系統中到底發生了什麼始終是一個挑戰。」「在每一個長度尺度上，漩渦都在相互拉伸和壓縮，從而產生一幅混亂的畫面。有了這項工作，我們可以開始分離和觀察簡單的相互作用，以及當足夠多的相互作用存在時，這些相互作用是如何產生豐富的動力的。」
自上世紀90年代以來，物理學家一直在使用渦旋對撞機來了解湍流，但之前的實驗未能在碰撞陷入混沌的那一刻放慢速度並重建碰撞的力學。為了做到這一點，研究人員用高速攝像機同步了一個強大的掃描雷射板——每秒可以捕捉數十萬張圖像——來快速實時掃描整個碰撞過程。
當渦旋碰撞時，邊緣形成反對稱波。這些波的波峰發展成手指狀的細絲，在相互碰撞的核心之間垂直生長。他們在一個75加侖的水族箱裡使用渦流炮來製造渦流。每個漩渦都被染成不同的顏色，這樣研究人員就可以觀察它們激烈碰撞時的相互作用。在碰撞後不到一秒鐘，這些環就消失在一團染料中，但在這段時間內，許多物理現象發生了。
首先，環相互碰撞時向外拉伸，邊緣形成反對稱波。這些波的波峰發展成手指狀的細絲，在相互碰撞的核心之間垂直生長。
這些細絲與相鄰的細絲反向旋轉，形成一個新的微型渦流陣列，這些微型渦流之間的相互作用可以持續幾毫秒。這些渦旋也形成細絲，細絲又形成渦旋。研究小組觀察了這個級聯循環的三代，每一代都和以前一樣，只是更小了。
該論文的第一作者、海洋研究所的研究生瑞安·麥基翁說：「這種從大規模到小規模的類似行為非常迅速而有秩序地出現，直到它全部瓦解為亂流。」「這種級聯效應真的很令人興奮，因為它可能為這些相互作用如何運作提供一種普遍的機制，與規模無關。」
除了實驗之外，研究團隊還開發了數值模擬，以了解擊穿的動力學，並量化級聯的能譜如何演變。湍流有一個非常明確的能量譜。雖然這個系統比讓飛機發出轟響的湍流要簡單得多，但研究人員發現，渦旋在最後階段破裂時的能譜，與完全發展的湍流具有相同的標度。
這是一個很好的跡象，表明雖然這是一個不同的系統——在很短的時間內——但它正在創造同樣的動蕩條件。這是一個起點。