沖浪高手和科學家打造超自然波浪

　　 這是一場科學家和沖浪高手聯手對“無盡之夏”的復述。這部經典的1966年的紀錄片，追蹤了兩個環游世界的沖浪者尋找完美波浪的腳步。

　　好的沖浪波浪是罕見的，即使所有的力量能聚集在一起，“魔法”也是轉瞬即逝。很少有海灘的底部輪廓可以把涌浪轉化成沖浪者想要的波浪，即使能轉化，波浪膨脹的大小、角度、周期性等特性，外加不斷變化的風和潮汐的波動，也意味著完美波浪十分稀少。

　　近日，在距最近海灘175公里的美國加利福尼亞中部農場，沖浪冠軍和流體力學專家聯手改變了這一局面。

　　完美浪花

　　在一個700米長的人工湖上，他們設計了一種系統，可以將一個被稱為水翼的金屬葉片拖過水面。由此產生的涌浪能掠過湖底，科學家已經借助超級計算機的幫助精確設計了湖底輪廓。于是，它將波浪一次又一次變成了神秘完美的沖浪波。

　　能翻轉多變海洋的專業沖浪者也震驚于Adam Fincham用“魔法”召喚出的波浪。科學家和沖浪高手聯袂創造了這個完美波浪：Fincham是南加州大學研究員，而Kelly Slater曾前所未有地獲過11次世界沖浪冠軍。

　　去年9月，18名職業沖浪者來到了這個所謂的“沖浪牧場”，參加“未來經典”比賽。該比賽是為了評估沖浪池的性能能否作為世界沖浪聯盟巡回錦標賽的比賽地。這場模擬大賽由世界沖浪聯盟主辦，相關人員將使用大屏幕監控器精選各波浪和慢鏡頭回放。“他們為沖浪者創造的波浪是首屈一指的。”參賽選手Adrian Buchan說。他在今年的巡回賽中排名第十五。

　　Fincham的同事跟沖浪者一樣也對該工作印象深刻。德國卡爾斯魯厄技術學院專門從事環境流體力學的機械工程師Olivier Eiff說，科學家研究波浪通常側重于其對侵蝕、海洋—空氣間的氣體交換和海濱結構的影響。但創造波浪是對流體力學的令人生畏的挑戰。“這是一個令人難以置信的工作。”Eiff說，“我不知道還有誰有膽量去碰這樣一個復雜的問題。”

　　如果像沖浪牧場支持者希望的那樣，人們能在世界各地建立類似的波浪池，這將從根本上改變沖浪世界。但在沖浪博客圈里，也有人擔憂 “Kelly波浪”會剝奪沖浪運動的自然魅力，并可能造成大批新人進入，破壞海洋的寧靜。

　　但支持者遠遠多于反對者。“世界上最好的沖浪將來自阿肯色州小石城。這是一場巨大革命的開始。”1968年沖浪世界冠軍Fred Hemmings說。

　　“瘋狂創意”

　　實際上，沖浪池可以追溯到50多年前，但即使是最好的人造池與一個好的海洋沖浪地相比也顯得蒼白。在海洋中，當水深大約是連續波峰之間距離（波長）的一半時，風暴產生的表面重力波在深水中滾動，并只與海底或淺灘相互作用。然后發生三件事：波長縮短、高度增加和波峰的移動速度比波谷快。當波浪的高度與水深相同時，波浪就會破碎，沖浪者能破浪而行。

　　如果底部的輪廓正好，風從陸地吹到海中，或者仍然靜止，那么水面隆起就變成了一個破碎的波浪，能量損失能向左右均勻地分布，白色的水像徐徐關閉的幕布在波浪的表面移動。較陡的波浪可以形成一個管道，讓更多技術嫻熟的沖浪者在其中滑行幾秒鐘。在海浪中滑行30秒便是非常長的行程，而很少有地方能持續產生這樣的波浪卷。

　　2006年，世界上最著名的沖浪選手Slater找到Fincham。當時，Fincham致力于在水槽中模擬自然水波。“我不知道他是誰。”Fincham說。在牙買加長大的Fincham在來到南加州大學后才開始沖浪。

　　當時，為了開發完美波浪，Slater創立了以自己名字命名的公司，并立刻聘請了Fincham。

　　Fincham有瘋狂的創意，并“冥頑不靈”。他發表了諸如用數字粒子成像測速儀測量在旋轉分層流體中網格湍流衰減這樣深奧主題的論文。但Slater開玩笑說，他和Fincham都有一點強迫癥。“如果你的團隊沒有一個充滿激情的人，就很難用不同的方式做事。”Slater說。

　　當時，Slater想要一種高功能的管浪——能夠無止境翻卷的波濤。Fincham回想道：“很顯然，他想要他的那種波濤。它必須是管狀的、有力量、耐久，還必須以一種能操控的辦法構成。”

　　實驗室里的水箱通常會產生幾厘米高的波浪，這可以用線性方程來描述：你能可靠地預測出什么東西產生了。

　　但科學家正設法通過陡波的非線性力釋放產生一個更大的水面隆起，包括湍流、緩慢移動的薄層 （邊界層）和整個水體的振蕩“湖震”。“非線性無處不在。”Eiff說，這導致極難“畫出”一條人工波。

　　另一方面，有關波浪創造的科學文獻并不深入。Fincham和Slater的美國ZL申請書也僅僅參考了兩篇相關科學論文，且都由19世紀70年代的著名物理學家、數學家撰寫。所以Fincham和Slater只能依靠自己。

　　他們是在實驗室的造波水槽中開始的。而許多造波水槽使用撥片、柱塞、沉箱或其他策略有效地把水拋到空中，但Fincham的團隊設計了一個部分淹沒在水里的水翼。當它穿過水池時，水翼將水撥動到一側（但不是向上），然后將其拉回以“恢復”被它推開的一些水。結果就形成物理學家口中的孤立波，它模擬了開放洋面上的單個隆起。

　　乘風破浪

　　然后，Slater的沖浪經驗也開始參與其中。他說：“Fincham的工作是弄清楚如何產生波浪，我的工作是弄清楚如何打破它。”

　　這需要一個很淺的“珊瑚礁”，而且，只有合適的形狀才能把一個海浪變成完美沖浪波。為了調整池底的形狀，團隊將Slater的經驗輸入超級計算機進行模擬。在電腦模擬中，波是代表空氣和水的數百萬網格。

　　科學家計算每一個網格以及它們的相互作用，從而模擬進化的波浪。未參與該項目的南加州大學流體力學專家Geoffrey Spedding表示，這種計算“在數學上是驚人的”。

　　Fincham團隊將實驗室發現轉移到沖浪牧場—— 一個原本是人工滑水湖的矩形水池。水翼機停在幾米深的水中，并被附在一個大小相當于幾輛火車車廂的裝置上，它沿著一條軌道運行，速度達到每小時30公里。

　　該系統能產生一個超過2米高的孤立波。游泳池底部鋪著有彈性的瑜伽墊，并在不同的地方有不同的斜坡，而這決定了波何時何地被打破。此外，水翼制動器還可以調整波浪的大小和形狀，以適應不同的技能水平。

　　水翼在池中移動，形成一個從右到左的波浪。巨大的水槽可以起到減震器的作用，減少從池壁反彈回來的水，但需要3分鐘才能讓水面平靜下來。然后，水翼從池中返回，形成一個相反方向的波浪。這段行程可以持續長達50秒，而波浪交替“雕刻”出巨大的浪卷。

　　在9月舉行的比賽中，曾6次贏得女子沖浪世界冠軍的Stephanie Gilmore在浪卷中滑行了令人震驚的14秒。

　　除了為奧運會提供一項新穎的比賽項目，這些人造波浪還可以作為高級沖浪者的訓練平臺，以及初學者的可控學習裝置。這一商業潛力使得世界沖浪聯盟控股公司收購了Slater公司的控股權。加州圣地亞哥的一位發明家Tom Lochtefeld說:“這些海浪太棒了，每個人都會愛上沖浪。”

　　Fincham預測，有一天可能會出現一種沖浪波浪，能進行不可思議的操作，例如在環形回路里翻筋斗。“我們已經得到了完美的自然波浪，而且，這很酷。”他說，“但我們能否制造一種幾乎顛覆自然的超自然浪潮呢？”

　　也許，他們已經創造出了一些超自然的東西。