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

凱蒂·亨特

CNN記者凱蒂·亨特報(bào)道

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美國(guó)東部時(shí)間2025年2月6日星期四上午10:18發(fā)布

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

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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(dòng)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?yàn)榱黧w的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)期以來(lái)一直試圖使用數(shù)學(xué)方程和計(jì)算機(jī)來(lái)研究和模擬這一過(guò)程。然而，即使有了現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)，除了最簡(jiǎn)單的湍流之外，對(duì)所有湍流的直接和精確模擬仍然遙不可及，對(duì)湍流的完全理解困擾了研究人員大約200年。

現(xiàn)在，一個(gè)國(guó)際科學(xué)家小組開(kāi)創(chuàng)了一種模擬湍流的新方法，采用了量子計(jì)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(xiàng)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(cè)這一現(xiàn)象的能力在科學(xué)和工程領(lǐng)域有許多實(shí)際應(yīng)用，可能會(huì)改進(jìn)飛機(jī)、汽車、螺旋槳、人工心臟的設(shè)計(jì)，并使天氣預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。

“湍流過(guò)去是，現(xiàn)在仍然是一個(gè)未解決的問(wèn)題，因?yàn)槲覀儾荒茉谟?jì)算機(jī)上精確模擬真實(shí)的氣流，也就是說(shuō)，我們?nèi)匀恍枰L(fēng)洞來(lái)設(shè)計(jì)飛機(jī)機(jī)翼。但是像我們這樣的進(jìn)步'打破’了這個(gè)問(wèn)題，并推進(jìn)了這個(gè)領(lǐng)域，”古里亞諾夫說(shuō)。

Gourianov解釋說(shuō)，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(huì)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(dòng)，這種方法考慮了隨機(jī)變化。

該團(tuán)隊(duì)將量子計(jì)算啟發(fā)的算法應(yīng)用于湍流，使他們能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成一個(gè)經(jīng)典算法在整個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)上需要幾天才能完成的計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)處理信息的方式與經(jīng)典計(jì)算機(jī)完全不同。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用比特進(jìn)行計(jì)算:數(shù)據(jù)每次以一種狀態(tài)存在，1或0。量子計(jì)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(lái)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(guò)以更簡(jiǎn)單的方式表示包含許多變量的數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠加快開(kāi)始理解湍流所需的復(fù)雜計(jì)算。貝蒂?zèng)]有參與這項(xiàng)研究。

“他們正在運(yùn)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(guò)使用這種表示，這意味著這種相當(dāng)復(fù)雜的計(jì)算可以使用少得多的內(nèi)存，使它可以在筆記本電腦上運(yùn)行，”貝蒂補(bǔ)充說(shuō)。

“像這樣的進(jìn)步(內(nèi)存利用率提高100萬(wàn)倍，計(jì)算速度提高1000倍)是罕見(jiàn)的，這使得湍流建模取得了令人興奮的進(jìn)展，”他說(shuō)。

湍流的奧秘

Beattie補(bǔ)充說(shuō)，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(méi)有解決規(guī)模問(wèn)題，也沒(méi)有解決不同大小的湍流漩渦如何相互聯(lián)系的問(wèn)題。

“正如作者所說(shuō)，湍流是一個(gè)多尺度的問(wèn)題，即湍流可以跨越數(shù)千光年到不到一英尺，”他通過(guò)電子郵件說(shuō)。"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(gè)方面——我們希望在模擬中解決許多許多規(guī)模的問(wèn)題，這需要大量的內(nèi)存和計(jì)算，這意味著將這些模擬放在大型超級(jí)計(jì)算機(jī)上，”貝蒂說(shuō)。

中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、副教授黃永祥說(shuō)，這項(xiàng)新研究“令人印象深刻”。

沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的黃說(shuō)，Gourianov和他的團(tuán)隊(duì)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(jì)算復(fù)雜性。然而，他同意這并沒(méi)有描繪出一幅完整的畫(huà)面，他說(shuō)這是極其困難的，因?yàn)樯婕暗姆秶軓V。

湍流被認(rèn)為是物理學(xué)中最古老的未解決的問(wèn)題。據(jù)說(shuō)德國(guó)理論物理學(xué)家維爾納·海森堡在臨終時(shí)說(shuō):“當(dāng)我見(jiàn)到上帝時(shí)，我要問(wèn)他兩個(gè)問(wèn)題:為什么是相對(duì)論？為什么是湍流？我真的相信他會(huì)有第一個(gè)答案?！?/span>

Gourianov說(shuō)，這項(xiàng)研究揭示的新技術(shù)的計(jì)算優(yōu)勢(shì)為科學(xué)研究開(kāi)辟了新的、以前無(wú)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(kāi)。他說(shuō)，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，這將需要全新的算法或計(jì)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(gè)問(wèn)題，但我們?nèi)匀粵](méi)有接近解決它，”Gourianov說(shuō)。