Napredak u fizici: Novi algoritam omogućuje brže modeliranje turbulencije i primjene u inženjerstvu

Turbulencija je jedan od najstarijih neriješenih problema u fizici, prisutan u širokom rasponu prirodnih fenomena – od kretanja vode i oceanskih struja do kemijskih reakcija, protoka krvi, olujnih oblaka, dima i zvjezdane plazme. Unatoč brojnim istraživanjima, znanstvenici već dva stoljeća pokušavaju razviti model koji bi precizno opisao ovu kaotičnu i nepredvidivu pojavu, piše CNN.

Turbulentni tokovi nastaju kada se fluid kreće tako da formira veće vrtloge koji se zatim raspadaju u manje. Iako su fizičari razvili matematičke jednadžbe i modele za proučavanje tog procesa, čak ni najsuvremenija superračunala ne mogu u potpunosti simulirati kompleksne turbulentne tokove. No, međunarodni tim znanstvenika sada je pronašao novi pristup koji bi mogao promijeniti način na koji razumijemo i predviđamo turbulenciju.

Prema studiji objavljenoj 29. siječnja u časopisu Science Advances, znanstvenici su primijenili metodu inspiriranu kvantnim računalima kako bi poboljšali simulacije turbulencije. Ova metoda omogućuje preciznije modeliranje fenomena, što bi moglo imati dalekosežne primjene u znanosti i inženjerstvu – od dizajna aviona, automobila i propelera do umjetnih srca i točnijih vremenskih prognoza.

Pročitajte još

Tajna najdublje plave rupe na svijetu - znanstvenici ne znaju što se krije u njoj

Revolucionarna metoda

"Problem turbulencije još uvijek nije riješen jer ne možemo točno simulirati realistične tokove na računalima – i dalje nam trebaju zračni tuneli za dizajn krila aviona. No, ovakvi napreci postupno pomiču granice razumijevanja", izjavio je Nik Gourianov, vodeći autor studije i istraživač na Sveučilištu Oxford.

Dok su prijašnji pristupi simuliranju turbulencije bili deterministički – što znači da su uvijek davali iste rezultate iz istih početnih uvjeta – nova metoda koristi probabilistički pristup koji uzima u obzir slučajne varijacije. CNN navodi kako je tim primijenio algoritam inspiriran kvantnim računalima, omogućivši mu da u samo nekoliko sati izračuna ono što bi klasičnom algoritmu trebalo nekoliko dana na superračunalu.

Za razliku od tradicionalnih računala, koja koriste binarne bitove (0 ili 1), kvantna računala koriste kvantne bitove (qubite), koji mogu istovremeno biti i 0 i 1 ili bilo koja njihova kombinacija. U studiji je korišten matematički alat poznat kao tenzorski mrežni modeli, koji omogućuju učinkovitu simulaciju kvantnih sustava.

Veliki napredak, ali ne i konačno rješenje

James Beattie, istraživač s Princetona koji nije bio uključen u studiju, izjavio je kako je ovaj pristup omogućio da se složeni izračuni odvijaju s puno manje memorijskih zahtjeva, čak i na prijenosnim računalima.

"Simulacija koju su izveli uključuje protok dviju različitih kemikalija koje se miješaju i reagiraju. Zahvaljujući njihovoj metodi, izuzetno složeni proračuni sada troše značajno manje memorije i mogu se izvoditi izravno na prijenosnim računalima", rekao je Beattie.

Dodao je kako je povećanje memorijske učinkovitosti milijun puta i ubrzanje računalnih procesa tisuću puta rijetko viđeno u ovom području, što čini ovu studiju značajnim korakom naprijed.

Međutim, Beattie je upozorio da iako je ovo "nevjerojatan napredak", nije u potpunosti riješilo problem turbulencije. Ključno pitanje ostaje kako se vrtlozi različitih veličina međusobno povezuju i kako se ti složeni odnosi mogu precizno modelirati.

"Turbulencija se proteže na mnogim skalama, od nekoliko svjetlosnih godina do manje od jednog metra", objasnio je. "Želimo razumjeti kako se te skale međusobno povezuju, ali to zahtijeva nevjerojatnu količinu memorije i računalne snage, što znači da će još dugo trebati superračunala za takve simulacije."

Novi horizonti u istraživanju

Yongxiang Huang, istraživač sa Sveučilišta Xiamen u Kini, također je pohvalio ovu metodu, istaknuvši kako znatno smanjuje memorijske zahtjeve i složenost proračuna. Ipak, upozorio je da još uvijek nije pronađeno potpuno rješenje za ovaj problem, upravo zbog širokog spektra veličina vrtloga koje turbulencija uključuje.

Turbulencija je već dugo poznata kao jedan od najvećih izazova u fizici, a često se citira i poznata izjava njemačkog teoretskog fizičara Wernera Heisenberga: "Kad sretnem Boga, postavit ću mu dva pitanja: Zašto relativnost? I zašto turbulencija? Iskreno vjerujem da će imati odgovor samo na prvo pitanje."

Gourianov je naglasio kako ova studija otvara nova područja istraživanja i pruža uvid u dosad nedostupne dijelove fizike turbulencije, ali da potpuni odgovor na ovaj problem još nije na vidiku.

"Mnogi iznimno talentirani znanstvenici već su se bavili ovim problemom, ali još uvijek smo daleko od rješenja", zaključio je Gourianov.