Forskere gør gennembrud i forståelsen af ​​turbulensmønstre og strukturer i væsker

Forskere har taget et betydeligt spring fremad i forståelsen af ​​turbulens, et kaotisk fænomen, der observeres i naturlige systemer, såsom vand i bevægelse, havstrømme, blodgennemstrømning og endda stormskyer.

I over 200 år har fysikere kæmpet for nøjagtigt at simulere og forudsige turbulens, som involverer komplekse væskebevægelser, der danner store hvirvlende hvirvler, der nedbrydes til mindre.

En ny metode inspireret af kvanteberegning kan dog ændre dette.

Kvanteinspireret tilgang til forståelse af kompleks væskeadfærd

I en undersøgelse offentliggjort den 29. januar i Science Advances afslørede et internationalt hold af videnskabsmænd en ny tilgang til simulering af turbulens, der udnytter kvanteberegningsprincipperne.

Dette gennembrud er afgørende, fordi nøjagtig modellering af turbulente strømme kan have vidtrækkende fordele, lige fra forbedring af fly- og bildesign til forbedring af vejrudsigten og endda fremme af medicinsk udstyr som kunstige hjerter.

Studiets hovedforfatter, Nik Gourianov, en fysiker ved University of Oxford, forklarede, at mens traditionelle turbulenssimuleringer er afhængige af deterministiske metoder - hvilket betyder, at de, givet specifikke forhold, altid producerer det samme resultat - introducerer den nye forskning en sandsynlighedstilgang.

Hvad adskiller dette arbejde

Denne metode tager højde for de naturlige fluktuationer og tilfældige variationer inden for turbulente strømme.

Det, der adskiller dette arbejde, er dets brug af kvantecomputer-inspirerede algoritmer.

Kvantecomputere behandler information på måder, der adskiller sig fra klassiske computere.

Mens traditionelle computere bruger bits (enten 0 eller 1), bruger kvantecomputere kvantebits eller qubits , der kan eksistere i flere tilstande samtidigt.

Dette gør det muligt for forskerne at simulere turbulens på en brøkdel af den tid, det normalt ville tage med en supercomputer.

Forskerholdet var i stand til at gennemføre simuleringer på timer, der ville have taget dage ved hjælp af klassiske algoritmer.

James Beattie, en postdoc-forsker ved Princeton University, roste den nye metode for dens evne til at reducere hukommelsesforbrug og fremskynde beregningerne betydeligt.

Denne fremgang er især vigtig for væskesimuleringer, som kan involvere komplekse variabler.

Beattie bemærkede, at holdets tilgang kunne få sådanne simuleringer til at køre på mere tilgængelig hardware, selv på en bærbar computer.

På trods af disse fremskridt erkender undersøgelsens forfattere, at der stadig er meget mere at afdække.

Udfordringen ved at simulere turbulens ligger i dens multi-skala natur, hvilket betyder, at turbulente strømme kan spænde over et enormt udvalg af størrelser, fra mikroskopiske skalaer til enorme kosmiske fænomener.

Nøjagtig modellering af disse varierende skalaer i én simulering er fortsat et vanskeligt problem, der kræver betydelig hukommelse og beregning.

Beattie understregede, at forståelsen af, hvordan forskellige skalaer interagerer, er afgørende for at løse turbulenspuslespillet.

Gourianovs team har gjort imponerende fremskridt, men eksperter er enige om, at løsningen af ​​turbulensproblemet langt fra er færdig.

Selvom denne nye tilgang væsentligt reducerer beregningsmæssig kompleksitet, adresserer den ikke fuldt ud, hvordan hvirvler af forskellig størrelse i turbulente strømme forholder sig til hinanden.

Det næste trin i turbulensforskningen vil involvere udvikling af nye algoritmer og computersystemer, der kan håndtere disse udfordringer mere effektivt.

Turbulens har længe været betragtet som et af de mest uhåndgribelige problemer i fysik.

På trods af årtiers forskning forbliver en komplet løsning uden for rækkevidde.

Men de seneste resultater fra Gourianov og hans team bringer os et skridt tættere på at optrevle kompleksiteten af ​​turbulens.