Учените постигнаха рядък напредък в решаването на най-стария нерешен проблем във физиката

Учените направиха голям скок в разбирането на модела и структурата на турбулентността - естествено явление, което се наблюдава в течности като движеща се вода, океански течения, химически реакции, кръвен поток, буреносни облаци, димни шлейфове и дори плазмата на звездите.

Макар че турбулентният поток е хаотичен и неравномерен, тъй като движението на флуида води до образуване на по-големи вихри или вихрушки, които се разпадат на по-малки, физиците отдавна се опитват да изследват и моделират процеса с помощта на математически уравнения и компютри. Въпреки това, дори с помощта на съвременните суперкомпютри, директното и точно моделиране на всички, освен на най-простите турбулентни потоци, остава недостъпно, а пълното разбиране на турбулентността се изплъзва на изследователите вече около 200 години.

Сега международен екип от учени предложи нов подход за симулиране на турбулентност, който използва метод, вдъхновен от квантовите изчисления, описан в изследване, публикувано на 29 януари в списание Science Advances.

Възможността за точно моделиране и прогнозиране на явлението може да има много практически приложения в науката и техниката, като може да подобри дизайна на самолети, автомобили, витла, изкуствени сърца и да направи прогнозите за времето по-точни, казва водещият автор на изследването Ник Гурянов, изследовател в катедрата по физика в Оксфордския университет.

„Турбулентността беше и все още е нерешен проблем в смисъл, че не можем да симулираме точно реалистични потоци на компютри, т.е. все още се нуждаем от въздушен тунел, за да проектираме крило на самолет. Но постижения като нашето „отсичат“ проблема и разширяват границите“, каза Гурянов.

Повечето предишни подходи за симулиране на турбулентност разчитаха на детерминистична стратегия, която при определен набор от начални условия винаги дава едни и същи резултати, обясни Гурянов. Вместо това, в новото изследване флуктуациите в турбуленцията се моделират вероятностно - подход, при който се отчитат случайните вариации. 

Екипът приложи вдъхновен от квантовите изчисления алгоритъм към турбулентни потоци, което им позволи да изчислят за няколко часа това, което би отнело няколко дни на класически алгоритъм, за да го направи на цял суперкомпютър.

  Квантовите компютри обработват информацията по коренно различен начин от класическите компютри. Традиционните компютри извършват изчисления, използвайки битове: данни, които съществуват в едно състояние в даден момент - единица или нула. Квантовите компютри използват квантови битове (или „Qбитове“), които могат да бъдат нули, единици или всякаква комбинация от двете. Авторите на изследването използват математически инструмент, наречен тензорни мрежи, който може да се използва за симулиране на квантова система.

Джеймс Бийти, постдокторант и научен сътрудник в катедрата по астрофизични науки в Принстънския университет в Ню Джърси, заяви, че като е представил данни с много променливи по по-прост начин, екипът е успял да ускори сложните изчисления, необходими, за да започне да разбира турбуленцията. Бийти не е участвал в изследването.

„Симулацията, която те провеждат, е симулация на флуид на два различни химикала, които се смесват и реагират. Като се използва това представяне, това означава, че това доста сложно изчисление може да използва значително по-малко памет, което позволява то да се изпълнява на лаптоп“, добави Бийти.

„Подобни постижения (милион пъти по-добро използване на паметта и хиляда пъти ускоряване на изчисленията) са рядкост, което прави това вълнуващ напредък в моделирането на турбулентността“, каза той. 

 Мистерията на турбулентността

Макар че последното проучване е „невероятен напредък“, то не е пълната история, добави Бийти, като отбеляза, че то не разглежда въпроси, свързани с мащаба, или как турбулентните вихри с различни размери се отнасят един към друг.

„Турбулентността, както казват авторите, е многомащабен проблем, т.е. турбулентността може да се простира от хиляди светлинни години до по-малко от метър“, каза той по електронната поща. „Искаме да знаем как тези мащаби си говорят помежду си.“

„Това е аспектът, който прави симулирането на турбулентни флуиди толкова предизвикателно - искаме да разрешим много, много мащаби в симулацията, които заемат много и много памет и изчисления, което означава да поставим тези симулации на големи суперкомпютри“, каза Бийти.

Новото изследване е „силно впечатляващо“, казва Юнсян Хуанг, изследовател и доцент в Държавната ключова лаборатория по наука за морската среда и Колежа по науки за океаните и Земята към Университета в Ксиамен в югоизточен Китай.  

 Гурянов и екипът му са предложили нов метод, който значително намалява използването на паметта и изчислителната сложност, казва Хуанг, който не е участвал в проучването. Той обаче се съгласи, че то не дава пълна картина, което според него е изключително трудно поради широкия обхват на включените мащаби.

Турбулентността е описвана като най-стария нерешен проблем във физиката. Твърди се, че немският физик-теоретик Вернер Хайзенберг е казал на смъртния си одър: „Когато срещна Бог, ще му задам два въпроса: Защо относителността? И защо турбулентност? Наистина вярвам, че той ще има отговор на първия.“

Гурианов заяви, че изчислителното предимство на новата техника, разкрито в изследването, отваря нови, недостъпни досега области на физиката на турбулентността за научно изследване, въпреки че откритията не означават, че тайната на турбулентността е разгадана. Според него това би изисквало драстично нови алгоритми или компютърен хардуер в сравнение с наличния сега.

„Много (изключително талантливи и надарени) учени са разглеждали този проблем, но все още не сме дори близо до решаването му“, каза Гурянов. 

 Източник: CNN