Fizikteki en eski çözülememiş problemi çözmede ilerleme kaydedildi

Bilim insanları, hareket halindeki su, okyanus akıntıları, kimyasal reaksiyonlar, kan akışı, fırtına bulutları, duman bulutları ve hatta yıldızların plazması gibi akışkanlarda gözlemlenen doğal bir fenomen olan türbülansın şeklini ve yapısını anlamada ileriye doğru bir adım attılar.

Türbülanslı akış kaotik ve düzensiz olsa da, bir akışkanın hareketi daha büyük girdapların veya anaforların oluşmasına ve daha küçük olanlara ayrılmasına neden olduğundan, fizikçiler uzun zamandır matematiksel denklemler ve bilgisayarlar kullanarak süreci incelemeye ve modellemeye çalıştılar. Bununla birlikte, modern süper bilgisayarlarla bile, en basit türbülanslı akışlar hariç hepsinin doğrudan ve doğru bir simülasyonuna ulaşılamamakta ve türbülansın tam olarak anlaşılması yaklaşık 200 yıldır araştırmacıları atlattı.

Şimdi, bilim insanlarından oluşan uluslararası bir ekip, Science Advances dergisinde 29 Ocak’ta yayınlanan bir çalışmada açıklanan, kuantum hesaplamadan esinlenen bir yöntemi kullanan türbülans simülasyonuna yönelik yeni bir yaklaşıma öncülük etti.

Oxford Üniversitesi Fizik Bölümü’nde araştırmacı olan çalışmanın baş yazarı Nik Gourianov, bu fenomeni doğru bir şekilde modelleme ve tahmin etme becerisinin bilim ve mühendislikte birçok pratik uygulamaya sahip olabileceğini, potansiyel olarak uçakların, arabaların, pervanelerin, yapay kalplerin tasarımını geliştirebileceğini ve hava tahminlerini daha doğru hale getirebileceğini söyledi.

“İLERLEMELER, SORUNU PARÇALIYOR”

Gourianov, “Türbülans, bilgisayarlarda gerçekçi akışları tam olarak simüle edemediğimiz, yani bir uçak kanadı tasarlamak için hala bir rüzgar tüneline ihtiyacımız olduğu anlamında çözülmemiş bir sorundu ve hala da öyle. Ancak bizimki gibi ilerlemeler sorunu ‘parçalıyor’ ve sınırı zorluyor” dedi.

Gourianov, türbülansı simüle etmeye yönelik önceki yaklaşımların çoğunun, belirli bir başlangıç koşulları kümesiyle her zaman aynı sonuçları üreten deterministik bir stratejiye dayandığını açıkladı. Bunun yerine, yeni araştırma türbülanstaki dalgalanmaları olasılıksal olarak modelledi, bu da rastgele varyasyonu dikkate alan bir yaklaşım.

Çalışmanın ortaya koyduğu yeni tekniğin hesaplama avantajının, bilimsel araştırma için türbülans fiziğinin daha önce erişilemeyen yeni alanlarını açtığını, ancak bulguların türbülansın gizeminin gerçekten çözüldüğü anlamına gelmediğini söyleyen Gourianov, bunun için, şu anda mevcut olanlara kıyasla büyük ölçüde yeni algoritmalar veya bilgisayar donanımı gerekeceğini söyledi.

Gourianov, “Birçok bilim insanı bu soruna eğildi, ancak hâlâ çözmeye yakın bile değiliz” ifadelerini kullandı.

Ekip, türbülanslı akışlara kuantum hesaplamadan esinlenen bir algoritma uygulayarak, klasik bir algoritmanın tüm bir süper bilgisayarda birkaç günde yapabileceği işlemi birkaç saatte hesaplamalarını sağladı.

Çalışmanın yazarları, bir kuantum sistemini simüle etmek için kullanılabilecek tensör ağları adı verilen matematiksel bir araç kullandılar.

“HEYECAN VERİCİ BİR GELİŞME”

New Jersey’deki Princeton Üniversitesi’nde astrofizik bilimleri bölümünde doktora sonrası araştırma görevlisi ve araştırmacı olan James Beattie, çok sayıda değişken içeren verileri daha basit bir şekilde temsil ederek, ekibin türbülansı anlamaya başlamak için gerekli karmaşık hesaplamaları hızlandırabildiğini söyledi.

“Çalıştırdıkları simülasyon, iki farklı kimyasalın karıştığı ve reaksiyona girdiği bir akışkan simülasyonu. Bu temsili kullanarak, bu oldukça karmaşık hesaplamanın önemli ölçüde daha az bellek kullanabileceği ve bir dizüstü bilgisayarda çalıştırılabileceği anlamına geliyor. Bu tür ilerlemelere (belleğin bir milyon kat daha iyi kullanılması ve hesaplamada bin kat hızlanma) nadiren rastlanır; bu da türbülans modellemesinde heyecan verici bir gelişme.”

Türbülans, fizikte çözülmemiş en eski problem olarak tanımlanmaktadır. 

Alman teorik fizikçi Werner Heisenberg’in ölüm döşeğinde şöyle dediği iddia edilir:

“Tanrı’yla karşılaştığımda ona iki soru soracağım: Neden görelilik? Ve neden türbülans? Birincisi için bir cevabı olacağına gerçekten inanıyorum.”