Oamenii de știință realizează un „progres rar” în abordarea celei mai vechi probleme nerezolvate din fizică

Oamenii de știință au făcut un pas înainte în înțelegerea modelului și structurii turbulenței – un fenomen natural observat în fluide precum apa în mișcare, curenții oceanici, reacțiile chimice, fluxul sanguin, norii de furtună, norii de fum și chiar plasma stelelor, potrivit CNN.

Deși curgerea turbulentă este haotică și neregulată, deoarece mișcarea unui fluid determină formarea unor vârtejuri mai mari și descompunerea lor în vârtejuri mai mici, fizicienii au încercat mult timp să studieze și să modeleze procesul folosind ecuații matematice și calculatoare.

Cu toate acestea, chiar și cu ajutorul supercalculatoarelor moderne, o simulare directă și precisă a tuturor fluxurilor turbulente, cu excepția celor mai simple, rămâne inaccesibilă, iar o înțelegere completă a turbulenței a pus la grea încercare cercetătorii timp de aproximativ 200 de ani.

Acum, o echipă internațională de oameni de știință a inițiat o nouă abordare a simulării turbulenței, care utilizează o metodă inspirată din calculul cuantic, descrisă într-un studiu publicat la 29 ianuarie în revista Science Advances.

Capacitatea de a modela și de a prezice cu exactitate fenomenul ar putea avea numeroase aplicații practice în știință și inginerie, putând îmbunătăți proiectarea avioanelor, automobilelor, elicelor, inimilor artificiale și făcând previziunile meteorologice mai exacte, a declarat autorul principal al studiului, Nik Gourianov, cercetător în cadrul departamentului de fizică de la Universitatea din Oxford.

„Turbulența a fost și este încă o problemă nerezolvată, în sensul că nu putem simula cu exactitate fluxuri realiste pe computere, adică avem încă nevoie de un tunel de vânt pentru a proiecta o aripă de avion. Dar progrese precum ale noastre „diminuează” problema și împing granița”, a declarat Gourianov.

Majoritatea abordărilor anterioare privind simularea turbulențelor se bazau pe o strategie deterministă, care, cu un set specific de condiții inițiale, produce întotdeauna aceleași rezultate, a explicat Gourianov. În schimb, noua cercetare a modelat fluctuațiile în turbulență probabilistic, o abordare care ia în considerare variația aleatorie.

Echipa a aplicat fluxurilor turbulente un algoritm inspirat din calculul cuantic, ceea ce le-a permis să calculeze în câteva ore ceea ce unui algoritm clasic i-ar lua câteva zile să facă pe un întreg supercomputer.

Calculatoarele cuantice procesează informațiile într-un mod fundamental diferit de cel al calculatoarelor clasice. Calculatoarele tradiționale fac calcule folosind biți: date care există într-o singură stare la un moment dat, unu sau zero.

Calculatoarele cuantice utilizează biți cuantici (sau „Qbits), care pot fi zerouri, unu sau orice combinație a ambelor. Autorii studiului au folosit un instrument matematic numit rețele tensoriale, care poate fi utilizat pentru simularea unui sistem cuantic.

James Beattie, cercetător postdoctoral asociat și membru al departamentului de științe astrofizice de la Universitatea Princeton din New Jersey, a declarat că, prin reprezentarea datelor cu multe variabile într-un mod mai simplu, echipa a reușit să accelereze calculele complexe necesare pentru a începe să înțeleagă turbulența. Beattie nu a fost implicat în cercetare.

„Simularea pe care o rulează este o simulare fluidă a două substanțe chimice diferite care se amestecă și reacționează. Prin utilizarea acestei reprezentări, înseamnă că acest calcul destul de complex poate utiliza mult mai puțină memorie, permițându-i să fie rulat pe un laptop”, a adăugat Beattie.

„Observarea unor astfel de progrese (o utilizare de un milion de ori mai bună a memoriei și o creștere de o mie de ori a vitezei de calcul) este rară, ceea ce face ca acesta să fie un progres interesant în modelarea turbulenței”, a spus el.

Misterul turbulenței

Deși cel mai recent studiu reprezintă un „progres uimitor”, acesta nu este o poveste completă, a adăugat Beattie, menționând că nu abordează problemele de scară sau modul în care vortexurile turbulente de dimensiuni diferite se raportează unele la altele.

„Turbulența, așa cum spun autorii, este o problemă la scară multiplă, adică turbulența se poate întinde de la mii de ani-lumină la mai puțin de un picior”, a spus el prin e-mail. „Vrem să știm cum aceste scări vorbesc între ele”.

„Acesta este un aspect care face simularea fluidelor turbulente atât de dificilă – vrem să rezolvăm foarte multe scale în simulare, care necesită foarte multă memorie și calcul, ceea ce înseamnă să plasăm aceste simulări pe supercomputere mari”, a spus Beattie.

Noua cercetare este „foarte impresionantă”, a declarat Yongxiang Huang, cercetător și profesor asociat la State Key Laboratory of Marine Environmental Science & College of Ocean and Earth Sciences de la Universitatea Xiamen din sud-estul Chinei.

Gourianov și echipa au venit cu o metodă nouă care reduce semnificativ utilizarea memoriei și complexitatea de calcul, a spus Huang, care nu a fost implicat în studiu. Cu toate acestea, el a fost de acord că această metodă nu oferă o imagine completă, despre care a spus că este extrem de dificilă din cauza gamei largi de scări implicate.

Turbulența a fost descrisă drept cea mai veche problemă nerezolvată din fizică. Fizicianul teoretician german Werner Heisenberg ar fi spus pe patul de moarte: „Când îl voi întâlni pe Dumnezeu, îi voi pune două întrebări: De ce relativitatea? Și de ce turbulența? Chiar cred că va avea un răspuns pentru prima întrebare”.

Gourianov a declarat că avantajul computațional al noii tehnici dezvăluite de studiu deschide noi domenii, inaccesibile anterior, ale fizicii turbulenței pentru cercetarea științifică, deși descoperirile nu înseamnă cu adevărat că misterul turbulenței a fost dezlegat. Acest lucru, a spus el, ar necesita algoritmi drastic noi sau hardware de calcul în raport cu ceea ce este disponibil în prezent.

„Mulți oameni de știință (excepțional de talentați și înzestrați) au analizat această problemă, dar încă nu suntem nici măcar aproape de a o rezolva”, a declarat Gourianov.