Η επιστήμη έκανε ένα τεράστιο άλμα προς τα εμπρός στην κατανόηση του προτύπου και της δομής της τύρβης – ενός φυσικού φαινομένου που παρατηρείται σε ρευστά, όπως το κινούμενο νερό, τα ωκεάνια ρεύματα, τις χημικές αντιδράσεις, τη ροή του αίματος, τα σύννεφα καπνού.
Ενώ η τυρβώδης ροή είναι χαοτική και ακανόνιστη, καθώς η κίνηση ενός ρευστού προκαλεί το σχηματισμό μεγαλύτερων στροβίλων ή δίνης και τη διάσπασή τους σε μικρότερους, οι φυσικοί προσπαθούν εδώ και καιρό να μελετήσουν και να μοντελοποιήσουν τη διαδικασία, χρησιμοποιώντας μαθηματικές εξισώσεις και υπολογιστές.
Ωστόσο, ακόμη και με τους σύγχρονους υπερυπολογιστές, η άμεση και ακριβής προσομοίωση όλων, εκτός από τις απλούστερες τυρβώδεις ροές, παραμένει ανέφικτη, και η πλήρης κατανόηση της τύρβης διαφεύγει από τους ερευνητές εδώ και περίπου 200 χρόνια.
Πλέον, όπως αναφέρει το CNN, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων έχει πρωτοπορήσει σε μια νέα προσέγγιση για την προσομοίωση της τύρβης που χρησιμοποιεί μια μέθοδο εμπνευσμένη από τους κβαντικούς υπολογιστές, η οποία περιγράφεται σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στα τέλη Ιανουαρίου στο περιοδικό Science Advances.
Η ικανότητα ακριβούς μοντελοποίησης και πρόβλεψης του φαινομένου θα μπορούσε να έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές στην επιστήμη και τη μηχανική, βελτιώνοντας ενδεχομένως τον σχεδιασμό αεροπλάνων, αυτοκινήτων, προπελών, τεχνητών καρδιών και κάνοντας την πρόβλεψη του καιρού πιο ακριβή, όπως αναφέρει ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Nik Gourianov, ερευνητής στο τμήμα φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.
«Οι αναταράξεις ήταν και εξακολουθούν να είναι ένα άλυτο πρόβλημα με την έννοια ότι δεν μπορούμε να προσομοιώσουμε ακριβώς ρεαλιστικές ροές σε υπολογιστές, δηλαδή χρειαζόμαστε ακόμη μια αεροδυναμική σήραγγα για να σχεδιάσουμε μια πτέρυγα αεροσκάφους. Αλλά εξελίξεις όπως η δική μας “ροκανίζουν” το πρόβλημα και σπρώχνουν τα σύνορα», λέει ο Gourianov.
Οι περισσότερες προηγούμενες προσεγγίσεις για την προσομοίωση της αναταραχής βασίζονταν σε μια ντετερμινιστική στρατηγική, η οποία με ένα συγκεκριμένο σύνολο αρχικών συνθηκών παράγει πάντα τα ίδια αποτελέσματα, εξήγησε ο Gourianov. Αντίθετα, η νέα έρευνα μοντελοποίησε τις διακυμάνσεις στην αναταραχή πιθανοτικά, μια προσέγγιση που λαμβάνει υπόψη τη τυχαία μεταβλητότητα.
Η ομάδα εφάρμοσε έναν αλγόριθμο εμπνευσμένο από τους κβαντικούς υπολογισμούς επιτρέποντάς τους να υπολογίσουν σε λίγες ώρες αυτό που ένας κλασικός αλγόριθμος θα χρειαζόταν αρκετές ημέρες για να το κάνει σε έναν ολόκληρο υπερυπολογιστή.
Οι κβαντικοί υπολογιστές επεξεργάζονται πληροφορίες με έναν θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο σε σχέση με τους κλασικούς υπολογιστές. Οι παραδοσιακοί υπολογιστές κάνουν υπολογισμούς χρησιμοποιώντας δυαδικά ψηφία (bits): δεδομένα που υπάρχουν σε μια κατάσταση τη φορά, είτε το ένα είτε το μηδέν.
Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά δυαδικά ψηφία (ή “Qbits”), τα οποία μπορούν να είναι είτε μηδενικά, είτε μονά, είτε οποιοσδήποτε συνδυασμός και των δύο. Οι συγγραφείς της μελέτης χρησιμοποίησαν ένα μαθηματικό εργαλείο που ονομάζεται δίκτυα τενσόρων, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση ενός κβαντικού συστήματος.
Ο James Beattie, μεταδιδακτορικός ερευνητής και εταίρος στο τμήμα αστροφυσικής του Πανεπιστημίου Πρίνστον στο Νιου Τζέρσεϊ, δήλωσε ότι, αναπαριστώντας τα δεδομένα με πολλούς μεταβλητούς τρόπους, η ομάδα κατάφερε να επιταχύνει τους περίπλοκους υπολογισμούς που είναι απαραίτητοι για την κατανόηση της αναταραχής. Ο Beattie δεν συμμετείχε στην έρευνα.
«Η προσομοίωση που εκτελούν είναι μια προσομοίωση υγρού δύο διαφορετικών χημικών ουσιών που αναμιγνύονται και αντιδρούν. Χρησιμοποιώντας αυτή την αναπαράσταση, σημαίνει ότι αυτός ο περίπλοκος υπολογισμός μπορεί να χρησιμοποιήσει πολύ λιγότερη μνήμη, επιτρέποντάς του να εκτελείται σε έναν φορητό υπολογιστή», πρόσθεσε ο Beattie.
«Η θέαση προόδων όπως αυτή (χρήση μνήμης που είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο αποδοτική και επιτάχυνση υπολογισμού χίλιες φορές) είναι σπάνια, κάνοντάς την μια συναρπαστική πρόοδο στην μοντελοποίηση της αναταραχής», είπε.
Το μυστήριο της τύρβης
Αν και η τελευταία μελέτη αποτελεί «εκπληκτική πρόοδο», δεν αντιμετωπίζει ζητήματα κλίμακας ή το πώς οι τυρβώδεις δίνες διαφορετικών μεγεθών σχετίζονται μεταξύ τους.
Η νέα έρευνα είναι «άκρως εντυπωσιακή», λέει ο Yongxiang Huang, ερευνητής στο State Key Laboratory of Marine Environmental Science & College of Ocean and Earth Sciences του Πανεπιστημίου Xiamen στην Κίνα.
Ο Gourianov και η ομάδα του έχουν καταλήξει σε μια νέα μέθοδο που μειώνει σημαντικά τη χρήση μνήμης και την υπολογιστική πολυπλοκότητα, λέει ο Huang – συμφώνησε, ωστόσο, ότι δεν αποτυπώνει μια πλήρη εικόνα, η οποία, όπως είπε, είναι εξαιρετικά δύσκολη λόγω του ευρέος φάσματος των κλιμάκων που εμπλέκονται.
Οι αναταράξεις έχουν περιγραφεί ως το παλαιότερο άλυτο πρόβλημα της φυσικής. Ο Γερμανός θεωρητικός φυσικός Werner Heisenberg φέρεται να είπε λίγο πριν πεθάνει: «Όταν συναντήσω τον Θεό, θα του κάνω δύο ερωτήσεις: για τη σχετικότητα και την τύρβη. Πιστεύω πραγματικά ότι θα έχει απάντηση μόνο για το πρώτο».
Ο Gourianov λέει ότι το υπολογιστικό πλεονέκτημα της νέας τεχνικής που αποκάλυψε η μελέτη ανοίγει νέους, προηγουμένως απρόσιτους τομείς της φυσικής της τύρβης για επιστημονική έρευνα, αν και τα ευρήματα δεν σημαίνουν πραγματικά ότι το μυστήριο έχει λυθεί. Αυτό, είπε, θα απαιτούσε δραστικά νέους αλγορίθμους ή υπολογιστικό υλικό σε σχέση με αυτό που είναι διαθέσιμο σήμερα.
«Πολλοί (εξαιρετικά ταλαντούχοι και προικισμένοι) επιστήμονες έχουν εξετάσει αυτό το πρόβλημα, αλλά ακόμη δεν είμαστε καν κοντά στην επίλυσή του», παραδέχεται ο ίδιος.