Gli scienziati fanno una scoperta rivoluzionaria nella comprensione dei modelli e delle strutture della turbolenza nei fluidi

Gli scienziati hanno fatto un notevole passo avanti nella comprensione della turbolenza, un fenomeno caotico osservato in sistemi naturali come l'acqua in movimento, le correnti oceaniche, il flusso sanguigno e persino le nubi temporalesche.

Da oltre 200 anni i fisici si sforzano di simulare e prevedere in modo accurato la turbolenza, che comporta complessi movimenti dei fluidi che formano grandi vortici vorticosi che si scompongono in vortici più piccoli.

Tuttavia, un nuovo metodo ispirato al calcolo quantistico potrebbe cambiare le cose.

Un approccio ispirato alla meccanica quantistica per comprendere il comportamento dei fluidi complessi

In uno studio pubblicato il 29 gennaio su Science Advances, un team internazionale di scienziati ha svelato un nuovo approccio alla simulazione della turbolenza che sfrutta i principi del calcolo quantistico.

Questa scoperta è cruciale perché la modellazione accurata dei flussi turbolenti può avere ampi benefici, dal miglioramento del design di aerei e automobili al potenziamento delle previsioni meteorologiche e persino al progresso di dispositivi medici come i cuori artificiali.

L'autore principale dello studio, Nik Gourianov, fisico presso l'Università di Oxford, ha spiegato che mentre le simulazioni tradizionali della turbolenza si basano su metodi deterministici (cioè che, date condizioni specifiche, producono sempre lo stesso risultato), la nuova ricerca introduce un approccio probabilistico.

Ciò che rende questo lavoro unico

Questo metodo tiene conto delle fluttuazioni naturali e delle variazioni casuali all'interno dei flussi turbolenti.

Ciò che rende questo lavoro unico è l'utilizzo di algoritmi ispirati al calcolo quantistico.

I computer quantistici elaborano le informazioni in modo diverso dai computer classici.

Mentre i computer tradizionali utilizzano bit (0 o 1), i computer quantistici utilizzano bit quantistici, o qubit , che possono esistere in più stati contemporaneamente.

Ciò consente agli scienziati di simulare la turbolenza in una frazione del tempo che normalmente impiegherebbe un supercomputer.

Il team di ricerca è riuscito a completare simulazioni in poche ore, operazioni che con gli algoritmi classici avrebbero richiesto giorni.

James Beattie, ricercatore post-dottorato presso l'Università di Princeton, ha lodato il nuovo metodo per la sua capacità di ridurre notevolmente l'utilizzo della memoria e di velocizzare i calcoli.

Questo progresso è particolarmente importante per le simulazioni di fluidi, che possono coinvolgere variabili complesse.

Beattie ha osservato che l'approccio del team potrebbe rendere tali simulazioni eseguibili su hardware più accessibile, anche su un laptop.

Nonostante questi progressi, gli autori dello studio riconoscono che c'è ancora molto da scoprire.

La sfida della simulazione della turbolenza risiede nella sua natura multiscala, ovvero nel fatto che i flussi turbolenti possono coprire un'enorme gamma di dimensioni, dalle scale microscopiche ai vasti fenomeni cosmici.

Modellare con precisione queste diverse scale in una sola simulazione rimane un problema difficile, che richiede una notevole quantità di memoria e calcolo.

Beattie ha sottolineato che comprendere come interagiscono le diverse scale è essenziale per risolvere il puzzle della turbolenza.

Il team di Gourianov ha fatto passi da gigante, ma gli esperti concordano sul fatto che la soluzione del problema della turbolenza è ancora lontana dall'essere completa.

Sebbene questo nuovo approccio riduca notevolmente la complessità computazionale, non affronta completamente il problema della relazione tra vortici di dimensioni diverse nei flussi turbolenti.

Il prossimo passo nella ricerca sulla turbolenza sarà lo sviluppo di nuovi algoritmi e sistemi di calcolo in grado di affrontare queste sfide in modo più efficace.

La turbolenza è da tempo considerata uno dei problemi più insidiosi della fisica.

Nonostante decenni di ricerche, una soluzione completa rimane irraggiungibile.

Tuttavia, le ultime scoperte di Gourianov e del suo team ci avvicinano di un passo alla comprensione delle complessità della turbolenza.