科學(xué)家在解決物理學(xué)中最古老的未解決問題上取得“罕見的進(jìn)展”

凱蒂·亨特

CNN記者凱蒂·亨特報道

4分鐘閱讀

美國東部時間2025年2月6日星期四上午10:18發(fā)布

木星的紅斑，一個巨大的風(fēng)暴系統(tǒng)，是湍流的一個例子。美國國家航空航天局·戈達(dá)德航天飛行中心

注冊美國有線電視新聞網(wǎng)的神奇理論科學(xué)時事通訊。探索宇宙的迷人發(fā)現(xiàn)，科學(xué)進(jìn)步和更多的新聞。

美國有線電視新聞網(wǎng)

—

科學(xué)家在理解湍流的模式和結(jié)構(gòu)方面取得了飛躍——湍流是一種在流動的水、洋流、化學(xué)反應(yīng)、血流、風(fēng)暴云、煙流甚至恒星等離子體等流體中觀察到的自然現(xiàn)象。

雖然湍流是混亂和不規(guī)則的，因為流體的運動導(dǎo)致較大的渦流或漩渦形成并分解成較小的渦流或漩渦，但物理學(xué)家長期以來一直試圖使用數(shù)學(xué)方程和計算機(jī)來研究和模擬這一過程。然而，即使有了現(xiàn)代超級計算機(jī)，除了最簡單的湍流之外，對所有湍流的直接和精確模擬仍然遙不可及，對湍流的完全理解困擾了研究人員大約200年。

現(xiàn)在，一個國際科學(xué)家小組開創(chuàng)了一種模擬湍流的新方法，采用了量子計算啟發(fā)的方法，這在1月29日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項研究中有所描述。

該研究的主要作者、牛津大學(xué)物理系研究員Nik Gourianov表示，精確建模和預(yù)測這一現(xiàn)象的能力在科學(xué)和工程領(lǐng)域有許多實際應(yīng)用，可能會改進(jìn)飛機(jī)、汽車、螺旋槳、人工心臟的設(shè)計，并使天氣預(yù)測更加準(zhǔn)確。

“湍流過去是，現(xiàn)在仍然是一個未解決的問題，因為我們不能在計算機(jī)上精確模擬真實的氣流，也就是說，我們?nèi)匀恍枰L(fēng)洞來設(shè)計飛機(jī)機(jī)翼。但是像我們這樣的進(jìn)步'打破’了這個問題，并推進(jìn)了這個領(lǐng)域，”古里亞諾夫說。

Gourianov解釋說，大多數(shù)以前模擬湍流的方法依賴于確定性策略，這種策略使用一組特定的初始條件總是會產(chǎn)生相同的結(jié)果。相反，新的研究從概率上模擬了湍流的波動，這種方法考慮了隨機(jī)變化。

該團(tuán)隊將量子計算啟發(fā)的算法應(yīng)用于湍流，使他們能夠在幾個小時內(nèi)完成一個經(jīng)典算法在整個超級計算機(jī)上需要幾天才能完成的計算。

量子計算機(jī)處理信息的方式與經(jīng)典計算機(jī)完全不同。傳統(tǒng)計算機(jī)使用比特進(jìn)行計算:數(shù)據(jù)每次以一種狀態(tài)存在，1或0。量子計算機(jī)使用量子比特(或“q比特”)，可以是0、1或兩者的任意組合。研究作者使用了一種叫做張量網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)工具，可以用來模擬量子系統(tǒng)。

新澤西州普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)系博士后研究員詹姆斯·貝蒂(James Beattie)表示，通過以更簡單的方式表示包含許多變量的數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊已經(jīng)能夠加快開始理解湍流所需的復(fù)雜計算。貝蒂沒有參與這項研究。

“他們正在運行的模擬是兩種不同化學(xué)物質(zhì)混合和反應(yīng)的流體模擬。通過使用這種表示，這意味著這種相當(dāng)復(fù)雜的計算可以使用少得多的內(nèi)存，使它可以在筆記本電腦上運行，”貝蒂補(bǔ)充說。

“像這樣的進(jìn)步(內(nèi)存利用率提高100萬倍，計算速度提高1000倍)是罕見的，這使得湍流建模取得了令人興奮的進(jìn)展，”他說。

湍流的奧秘

Beattie補(bǔ)充說，雖然最新的研究是“驚人的進(jìn)展”，但這并不是全部，并指出它沒有解決規(guī)模問題，也沒有解決不同大小的湍流漩渦如何相互聯(lián)系的問題。

“正如作者所說，湍流是一個多尺度的問題，即湍流可以跨越數(shù)千光年到不到一英尺，”他通過電子郵件說。"我們想知道這些天平是如何相互交流的."

“這是模擬湍流流體如此具有挑戰(zhàn)性的一個方面——我們希望在模擬中解決許多許多規(guī)模的問題，這需要大量的內(nèi)存和計算，這意味著將這些模擬放在大型超級計算機(jī)上，”貝蒂說。

中國東南部廈門大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院海洋環(huán)境科學(xué)國家重點實驗室研究員、副教授黃永祥說，這項新研究“令人印象深刻”。

沒有參與這項研究的黃說，Gourianov和他的團(tuán)隊已經(jīng)提出了一種新的方法，可以顯著減少內(nèi)存使用和計算復(fù)雜性。然而，他同意這并沒有描繪出一幅完整的畫面，他說這是極其困難的，因為涉及的范圍很廣。

湍流被認(rèn)為是物理學(xué)中最古老的未解決的問題。據(jù)說德國理論物理學(xué)家維爾納·海森堡在臨終時說:“當(dāng)我見到上帝時，我要問他兩個問題:為什么是相對論？為什么是湍流？我真的相信他會有第一個答案?！?/span>

Gourianov說，這項研究揭示的新技術(shù)的計算優(yōu)勢為科學(xué)研究開辟了新的、以前無法進(jìn)入的湍流物理學(xué)領(lǐng)域，盡管這些發(fā)現(xiàn)并不真正意味著湍流的奧秘已經(jīng)被揭開。他說，相對于現(xiàn)有技術(shù)，這將需要全新的算法或計算硬件。

“許多(非常有才華和天賦的)科學(xué)家已經(jīng)研究了這個問題，但我們?nèi)匀粵]有接近解決它，”Gourianov說。