Bilim insanları sıvılardaki türbülans desenlerini ve yapılarını anlamada çığır açan bir gelişmeye imza attı

Bilim insanları, hareket eden su, okyanus akıntıları, kan akışı ve hatta fırtına bulutları gibi doğal sistemlerde gözlemlenen kaotik bir fenomen olan türbülansı anlamada önemli bir sıçrama yaptı.

Fizikçiler 200 yıldan uzun süredir, karmaşık akışkan hareketlerinin büyük girdaplar oluşturup daha sonra daha küçük girdaplara dönüşmesini içeren türbülansı doğru bir şekilde simüle etmek ve tahmin etmek için çabalıyorlar.

Ancak kuantum hesaplamadan esinlenen yeni bir yöntem bunu değiştirebilir.

Karmaşık akışkan davranışını anlamak için kuantumdan ilham alan yaklaşım

29 Ocak'ta Science Advances dergisinde yayımlanan bir çalışmada, uluslararası bir bilim insanları ekibi, kuantum hesaplama prensiplerinden yararlanarak türbülansı simüle etmeye yönelik yeni bir yaklaşımı ortaya koydu.

Bu atılım hayati önem taşıyor çünkü türbülanslı akışların doğru bir şekilde modellenmesi, uçak ve araba tasarımlarını iyileştirmekten hava durumu tahminlerini iyileştirmeye ve hatta yapay kalpler gibi tıbbi cihazları geliştirmeye kadar geniş kapsamlı faydalar sağlayabilir.

Çalışmanın başyazarı, Oxford Üniversitesi'nden fizikçi Nik Gourianov, geleneksel türbülans simülasyonlarının deterministik yöntemlere dayandığını, yani belirli koşullar altında her zaman aynı sonucu ürettiğini, ancak yeni araştırmanın olasılıkçı bir yaklaşım getirdiğini açıkladı.

Bu çalışmayı farklı kılan nedir?

Bu yöntem, türbülanslı akışlardaki doğal dalgalanmaları ve rastgele değişimleri hesaba katar.

Bu çalışmayı farklı kılan şey, kuantum hesaplamadan esinlenen algoritmaların kullanılmasıdır.

Kuantum bilgisayarlar, bilgileri klasik bilgisayarlardan farklı şekillerde işler.

Geleneksel bilgisayarlar bitleri (0 veya 1) kullanırken, kuantum bilgisayarları aynı anda birden fazla durumda bulunabilen kuantum bitlerini veya kübitleri kullanır.

Bu, bilim insanlarının türbülansı normalde bir süper bilgisayarla harcanacak sürenin çok daha kısa bir kısmında simüle edebilmelerini sağlıyor.

Araştırma ekibi, klasik algoritmalarla günler sürecek simülasyonları saatler içinde tamamlamayı başardı.

Princeton Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan James Beattie, yeni yöntemin bellek kullanımını azaltma ve hesaplamaları önemli ölçüde hızlandırma kabiliyetini övdü.

Bu gelişme, karmaşık değişkenlerin söz konusu olabileceği akışkan simülasyonları için özellikle önemlidir.

Beattie, ekibin yaklaşımının bu tür simülasyonların daha erişilebilir donanımlarda, hatta bir dizüstü bilgisayarda bile çalıştırılabilmesini sağlayabileceğini belirtti.

Bu ilerlemeye rağmen, çalışmanın yazarları hala keşfedilecek çok şey olduğunu kabul ediyorlar.

Türbülansın simülasyonunun zorluğu, onun çok ölçekli yapısından kaynaklanmaktadır; bu da türbülanslı akışların mikroskobik ölçeklerden uçsuz bucaksız kozmik olaylara kadar çok geniş bir boyut aralığına yayılabileceği anlamına gelir.

Bu değişen ölçeklerin tek bir simülasyonda doğru bir şekilde modellenmesi, önemli miktarda bellek ve hesaplama gerektiren zor bir problem olmaya devam ediyor.

Beattie, türbülans bulmacasını çözmek için farklı ölçeklerin nasıl etkileştiğinin anlaşılmasının önemli olduğunu vurguladı.

Gourianov'un ekibi etkileyici ilerlemeler kaydetti, ancak uzmanlar türbülans sorununu çözmenin henüz tamamlanmadığı konusunda hemfikir.

Bu yeni yaklaşım hesaplama karmaşıklığını önemli ölçüde azaltırken, türbülanslı akışlardaki farklı büyüklükteki girdapların birbirleriyle nasıl ilişkili olduğunu tam olarak ele almıyor.

Türbülans araştırmalarının bir sonraki adımı, bu zorluklarla daha etkili bir şekilde başa çıkabilecek yeni algoritmalar ve bilgi işlem sistemleri geliştirmek olacak.

Türbülans uzun zamandır fiziğin en zor çözülen problemlerinden biri olarak kabul ediliyor.

Onlarca yıldır yapılan araştırmalara rağmen, henüz tam bir çözüme ulaşılamadı.

Ancak Gourianov ve ekibinin son bulguları bizi türbülansın karmaşık yapısını çözmeye bir adım daha yaklaştırıyor.