游动抑制稀释推式微生物悬浮液中的关联

活性物质在无外力作用下表现出多种形式非平衡态，包括宏观稳态流。这类状态往往过于复杂而无法从第一性原理建模，我们对其物理的理解严重依赖最小模型。这些模型主要在“干”活性物质情形下被研究，其中粒子动力学由与周围环境的摩擦主导。对于具有长程流体动力学相互作用、属于“湿”活性物质的系统，所知明显更少。以自推进偶极粒子仅通过长程流体场相互作用来建模的游动细菌稀释悬浮液，可谓此类活性系统中研究最多的例子。其现象学已确立：在足够高的细菌密度下，会出现由许多个体生物组成的大尺度涡旋和喷流，形成常被称为细菌湍流的混沌态。如计算机模拟所揭示，在集体运动起始之下，由于偶极场的长程性质，悬浮液中个体微游动者之间表现出极强关联。本文我们证明这一现象学可由微游动者的最小模型捕捉。我们发展了一种超越常用平均场假设的动理学理论，并显式考虑此类关联。值得注意的是，这些关联可在我们的理论中精确计算。我们计算了流体速度方差、空间和时间关联函数、流体速度谱以及示踪粒子的增强扩散率。我们发现关联被粒子自推进抑制，尽管即便在极快游动极限下平均场行为也未恢复。