流体里那些漂亮的"猫眼"状涡旋,什么条件下能稳定存在,什么情况下会突然合并?这个从1960年代就开始折磨数学家的问题,终于被复旦团队捅破了窗户纸。

5月14日,复旦大学数学科学学院讲席教授林治武与廖莎莎、朱昊合作的论文在国际四大顶尖数学期刊之一《Inventiones Mathematicae》在线发表。这篇题为"On the stability and instability of Kelvin–Stuart cat's-eye flows"的论文,系统建立了经典Kelvin-Stuart猫眼流在同周期、多周期和调制扰动下的稳定性与不稳定性理论。

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研究的核心突破可以拆成三块:第一,完整刻画了这类经典非平行流在不同扰动模式下的稳定与不稳定行为,解决了该领域长期悬而未决的问题;第二,首次严格证明了相应Kelvin-Stuart磁岛族的合并不稳定性,为磁重联相关的数学问题提供了新工具;第三,把方法拓展到了等离子体物理中的磁岛稳定性研究。

作者阵容是跨国组合:林治武(复旦大学相辉学者、讲席教授)、朱昊(南京大学准聘助理教授)、廖莎莎(佐治亚理工大学博士,现为美国派拉蒙公司高级研究员)。三人并列为共同第一作者。研究经费来自美国国家自然科学基金、国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划等多个渠道。

这项工作的价值不止于数学。论文展示了Hamilton偏微分方程、谱理论、流体力学等离子体物理之间的深层联系,为更一般的涡旋结构、磁岛平衡态以及其他物理模型中的相干结构稳定性研究提供了新方法。从1960年代Kelvin和Stuart提出这个模型,到2025年严格理论的确立,整整跨越了60年。