分子云研究里一个著名的规律是Larson定律,一团尺度$L$的气体的湍流运动的线宽$v$正比于$L$的0.5次方。如果想要对此进行一些模拟,应该怎么做?首先进行一点简化,生成一个速度场,其中任意相距$L$的两点的速度差值$\sigma$(速度差值为高斯分布,高斯分布的宽度为$\sigma$)正比于L的0.5次方。由于每个点都对应很多个尺度,所以要在实空间生成一个满足要求的速度场是极端困难,或者说是不可能的。不过,正如在固体物理中那样,在复杂的振动中可以找到简正模式,也就是说,在傅里叶空间可以找到简单的模式。
生成一个尺度依赖的速度场也可以在傅里叶空间进行。这和宇宙学中生成一个满足某个功率谱的密度分布类似,就是在傅里叶空间中产生一个高斯随机场,幅度是波数的函数(在宇宙学的情况是功率谱)。对于我们所要讨论的情况,傅里叶空间的速度应该满足什么条件呢?
我们所需要的实空间的速度场只和尺度有关,而和方向无关,所以进行傅里叶变换的时候,和角度有关的函数的积分都为零。将傅里叶变换的因子$e^{-kr\cos\theta}$展开为球贝塞尔函数和勒让德多项式的乘积的数列,
begin{equation}
e^{-krcostheta}=sum^{infty}_{l=0}(2l+1)i^l j_l(kr)P_l(costheta)
end{equation}
于是速度的傅里叶变换可以表示为
begin{equation}
v(k)=F(v(r))=int^{infty}_{0}r^2drint^{pi}_{0}sintheta dthetaint^{pi}_{0}dphi v(r)sum^{infty}_{l=0}(2l+1)i^l j_l(kr)P_l(costheta)
end{equation}
注意到对角度的积分为0,除了$l=0$的一项,最终可以发现
\begin{equation}
v(k)=C k^{-3.5}
\end{equation}
其中C是常数。所以$v(k)\propto k^{-3.5}$就相当于一个“功率谱”,按这个功率谱在傅里叶空间生成一个高斯随机场,再变换到实空间即可。
不过,要生成一个高斯随机场并非易事。思考一下,一个实数场(在实空间)傅里叶变换后(在傅里叶$k$空间)是一个复数场,这个复数场是满足一定共轭性的。所以要在傅里叶空间产生一个场,这个场对应实空间的一个实数场,那么这个场就必须满足相应的共轭条件。具体地说就是(与王乔私下交流,在此对王乔表示感谢。),如果实空间的格子大小是$N\times N\times N$,那么傅里叶空间的格子中的元素满足
Fa[N-n1,N-n2,N-n3]=conjg(Fa[n1,n2,n3])
其中指标从0开始,到N-1。所以注意到n1,n2,n3中有一个或两个等于0时这个式子不成立。在有两个为0的情况下(以前两个指标为0为例),上述式子变为
Fa[0,0,N-n3]=conjg(Fa[0,0,n3])
这个情况清楚一个,考虑一个指标为0的情况(以第一个指标为0为例),式子变为
Fa[0,N-n2,N-n3]=conjg(Fa[0,n2,n3])
此外在n1=N/2(N为偶数时,一般都使用N为偶数的格子)时,也需要特殊考虑,原因不在于
Fa[N-n1,N-n2,N-n3]=conjg(Fa[n1,n2,n3])
不成立,而在于写程序的时候,这个面需要单独考虑。
在考虑了上述特殊位置之后,剩下的点就按一般的共轭性赋值。k的模以及v(k)的计算按照n1<=N/2的那些格子进行。在完成这些步骤以后就生成了一个满足“功率谱”v(k)的高斯随机场,然后进行傅里叶变换就得到了一个和尺度有关的速度场。
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