Oamenii de știință fac progrese în înțelegerea modelelor și structurilor de turbulență în fluide

Oamenii de știință au făcut un salt înainte semnificativ în înțelegerea turbulenței, un fenomen haotic observat în sisteme naturale, cum ar fi apa în mișcare, curenții oceanici, fluxul de sânge și chiar norii de furtună.

De peste 200 de ani, fizicienii s-au străduit să simuleze și să prezică cu precizie turbulențele, care implică mișcări complexe ale fluidelor care formează vârtejuri mari care se descompun în altele mai mici.

Cu toate acestea, o nouă metodă inspirată de calculul cuantic ar putea schimba acest lucru.

Abordare inspirată de Quantum pentru înțelegerea comportamentului fluidului complex

Într-un studiu publicat pe 29 ianuarie în Science Advances, o echipă internațională de oameni de știință a dezvăluit o abordare nouă pentru simularea turbulenței care profită de principiile calculului cuantic.

Această descoperire este esențială, deoarece modelarea cu precizie a fluxurilor turbulente poate avea beneficii de anvergură, de la îmbunătățirea designului aeronavelor și mașinilor până la îmbunătățirea prognozei meteo și chiar la avansarea dispozitivelor medicale precum inimile artificiale.

Autorul principal al studiului, Nik Gourianov, fizician la Universitatea din Oxford, a explicat că, în timp ce simulările tradiționale de turbulență se bazează pe metode deterministe - ceea ce înseamnă că, în condiții specifice, produc întotdeauna același rezultat - noua cercetare introduce o abordare probabilistică.

Ceea ce deosebește această lucrare

Această metodă ține cont de fluctuațiile naturale și variațiile aleatorii din fluxurile turbulente.

Ceea ce diferențiază această lucrare este utilizarea de algoritmi inspirați de calculul cuantic.

Calculatoarele cuantice procesează informațiile în moduri care diferă de computerele clasice.

În timp ce computerele tradiționale folosesc biți (fie 0, fie 1), computerele cuantice utilizează biți cuantici, sau qubiți , care pot exista în mai multe stări simultan.

Acest lucru le permite oamenilor de știință să simuleze turbulențele într-o fracțiune din timpul în care ar dura în mod normal cu un supercomputer.

Echipa de cercetare a reușit să finalizeze simulări în ore care ar fi durat zile folosind algoritmi clasici.

James Beattie, cercetător postdoctoral la Universitatea Princeton, a lăudat noua metodă pentru capacitatea sa de a reduce utilizarea memoriei și de a accelera semnificativ calculele.

Acest progres este deosebit de important pentru simulările fluidelor, care pot implica variabile complexe.

Beattie a remarcat că abordarea echipei ar putea face ca astfel de simulări să ruleze pe un hardware mai accesibil, chiar și pe un laptop.

În ciuda acestui progres, autorii studiului recunosc că mai sunt multe de descoperit.

Provocarea simulării turbulenței constă în natura sa multi-scală, ceea ce înseamnă că fluxurile turbulente se pot întinde pe o gamă enormă de dimensiuni, de la scari microscopice până la fenomene cosmice vaste.

Modelarea cu acuratețe a acestor scale variabile într-o singură simulare rămâne o problemă dificilă, care necesită memorie și calcule substanțiale.

Beattie a subliniat că înțelegerea modului în care diferitele scale interacționează este esențială pentru rezolvarea puzzle-ului turbulenței.

Echipa lui Gourianov a făcut pași impresionante, dar experții sunt de acord că rezolvarea problemei turbulențelor este departe de a fi completă.

În timp ce această nouă abordare reduce semnificativ complexitatea computațională, nu abordează pe deplin modul în care vortexurile de dimensiuni diferite din fluxurile turbulente se relaționează între ele.

Următorul pas în cercetarea turbulențelor va implica dezvoltarea de noi algoritmi și sisteme de calcul care pot face față acestor provocări mai eficient.

Turbulența a fost mult timp considerată una dintre cele mai evazive probleme din fizică.

În ciuda deceniilor de cercetare, o soluție completă rămâne la îndemână.

Cu toate acestea, cele mai recente descoperiri ale lui Gourianov și echipa sa ne aduc cu un pas mai aproape de dezlegarea complexității turbulențelor.