Naučnici su napravili korak naprijed u razumijevanju obrasca i strukture turbulencije — prirodnog fenomena koji se opaža u tekućinama kao što su voda u kretanju, okeanske struje, hemijske reakcije, protok krvi, olujni oblaci, pramenovi dima, pa čak i plazma zvijezda.
Dok je turbulentno strujanje haotično i nepravilno, budući da kretanje tekućine uzrokuje stvaranje većih vrtloga ili kovitlaca i njihovo raspadanje na manje, fizičari su dugo pokušavali proučavati i modelirati proces pomoću matematičkih jednačina i računara. Međutim, čak i s modernim superračunarima, direktna i precizna simulacija svih osim najjednostavnijih turbulentnih tokova ostaje nedostižna, a potpuno razumijevanje turbulencije izmicalo je istraživačima nekih 200 godina, piše CNN.
Sada je međunarodni tim naučnika uveo novi pristup simulaciji turbulencije koji primjenjuje metodu inspiriranu kvantnim računalstvom, opisanu u studiji objavljenoj 29. januara u časopisu Science Advances.
Sposobnost tačnog modeliranja i predviđanja fenomena mogla bi imati mnoge praktične primjene u nauci i inženjerstvu, potencijalno poboljšavajući dizajn aviona, automobila, propelera, umjetnih srca i čineći vremensku prognozu tačnijom, rekao je glavni autor studije Nik Gourianov, istraživač na odjelu fizike na Univerzitetu u Oxfordu.
"Turbulencija je bila i još uvijek je neriješen problem u smislu da ne možemo tačno simulirati realna strujanja na računalima, tj. još uvijek nam treba zračni tunel za projektiranje krila aviona. Ali napredak poput našeg 'uklanja' problem i pomiče granicu", rekao je Gourianov.
Većina prijašnjih pristupa simulaciji turbulencije oslanjala se na determinističku strategiju, koja sa specifičnim skupom početnih uvjeta uvijek daje iste rezultate, objasnio je Gourianov. Umjesto toga, novo istraživanje modeliralo je fluktuacije turbulencije probabilistički, pristup koji uzima u obzir slučajne varijacije.
Tim je primijenio algoritam inspiriran kvantnim računalstvom na turbulentne tokove, što im je omogućilo da u nekoliko sati izračunaju ono za šta bi klasičnom algoritmu trebalo nekoliko dana na cijelom superračunaru.
Kvantni računari obrađuju informacije na bitno drugačiji način od klasičnih računara. Tradicionalni računari rade izračune koristeći bitove: podatke koji postoje u jednom stanju u jednom trenutku, jedinica ili nula. Kvantni računari koriste kvantne bitove (ili "Qbitove"), koji mogu biti nule, jedinice ili bilo koja kombinacija oba. Autori studije koristili su matematički alat nazvan tenzorske mreže koji se može koristiti za simulaciju kvantnog sistema.
James Beattie, postdoktorski naučni saradnik i saradnik na odjelu za astrofizičke naule na Univerzitetu Princeton u New Jerseyju, rekao je da je, predstavljanjem podataka s mnogo varijabli na jednostavniji način, tim uspio ubrzati složene izračune potrebne za početak razumijevanja turbulencije. Beattie nije bila uključena u istraživanje.
“Simulacija koju izvode je fluidna simulacija miješanja i reakcije dviju različitih hemikalija. Korištenjem ovog prikaza, to znači da ovaj prilično složeni izračun može koristiti znatno manje memorije, omogućujući njegovo pokretanje na prijenosnom računalu,” dodao je Beattie.
"Vidjeti napredak poput ovoga (milion puta bolja iskorištenost memorije i hiljadu puta ubrzanje računanja) je rijetkost, što ovo čini uzbudljivim napretkom u modeliranju turbulencije", rekao je.
Misterij turbulencije
Iako je najnovija studija "nevjerovatan napredak", to nije cjelovita priča, dodao je Beattie, napominjući da se ne bavi problemima razmjera ili kako su turbulentni vrtlozi različitih veličina povezani jedni s drugima.
"Turbulencija je, kako kažu autori, problem višestrukih razmjera, tj. turbulencija se može protezati od hiljadu svjetlosnih godina do manje od stope", rekao je putem e-pošte. "Želimo znati kako ove vage međusobno razgovaraju."
"Ovo je aspekt koji čini simulaciju turbulentnih tekućina tako izazovnom - želimo riješiti mnoge, mnoge skale u simulaciji, koje zauzimaju puno, puno memorije i računanja, što znači stavljanje ovih simulacija na velika superračunala", rekao je Beattie.
Novo istraživanje je "vrlo impresivno", rekao je Yongxiang Huang, istraživač i vanredni profesor na Državnom ključnom laboratoriju za nauku o morskom okolišu i Fakultetu nauka o okeanu i Zemlji na Univerzitetu Xiamen u jugoistočnoj Kini.
Gourianov i tim došli su do nove metode koja značajno smanjuje korištenje memorije i složenost računanja, rekao je Huang, koji nije bio uključen u studiju. Međutim, složio se da to ne daje cjelovitu sliku, što je, kako je rekao, bilo izuzetno teško zbog širokog raspona uključenih tabela.
Turbulencija je opisana kao najstariji neriješeni problem u fizici. Njemački teorijski fizičar Werner Heisenberg navodno je na samrtnoj postelji rekao: “Kada sretnem Boga, postavit ću mu dva pitanja: Zašto relativnost? A zašto turbulencije? Zaista vjerujem da će imati odgovor na prvo.”
Gourianov je rekao da računalna prednost nove tehnike otkrivena studijom otvara nova, prethodno nedostupna područja fizike turbulencije za naučno istraživanje, iako otkrića zapravo ne znače da je misterij turbulencije razotkriven. To bi, rekao je, zahtijevalo drastično nove algoritme ili računalni hardver u odnosu na ono što je sada dostupno.
"Mnogi (iznimno talentirani i nadareni) naučnici su se bavili ovim problemom, ali još uvijek nismo ni blizu njegovog rješenja", rekao je Gourianov.
