科学家在解决物理学中最古老的未解决问题上取得“罕见的进展

发布日期：2025-03-07 13:39    点击次数：68

科学/生活

科学家在解决物理学中最古老的未解决问题上取得“罕见的进展”

凯蒂·亨特

CNN记者凯蒂·亨特报道

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美国东部时间2025年2月6日星期四上午10:18发布

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木星的红斑，一个巨大的风暴系统，是湍流的一个例子。美国国家航空航天局·戈达德航天飞行中心

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科学家在理解湍流的模式和结构方面取得了飞跃——湍流是一种在流动的水、洋流、化学反应、血流、风暴云、烟流甚至恒星等离子体等流体中观察到的自然现象。

虽然湍流是混乱和不规则的，因为流体的运动导致较大的涡流或漩涡形成并分解成较小的涡流或漩涡，但物理学家长期以来一直试图使用数学方程和计算机来研究和模拟这一过程。然而，即使有了现代超级计算机，除了最简单的湍流之外，对所有湍流的直接和精确模拟仍然遥不可及，对湍流的完全理解困扰了研究人员大约200年。

现在，一个国际科学家小组开创了一种模拟湍流的新方法，采用了量子计算启发的方法，这在1月29日发表在《科学进展》杂志上的一项研究中有所描述。

该研究的主要作者、牛津大学物理系研究员Nik Gourianov表示，精确建模和预测这一现象的能力在科学和工程领域有许多实际应用，可能会改进飞机、汽车、螺旋桨、人工心脏的设计，并使天气预测更加准确。

“湍流过去是，现在仍然是一个未解决的问题，因为我们不能在计算机上精确模拟真实的气流，也就是说，我们仍然需要风洞来设计飞机机翼。但是像我们这样的进步'打破’了这个问题，并推进了这个领域，”古里亚诺夫说。

Gourianov解释说，大多数以前模拟湍流的方法依赖于确定性策略，这种策略使用一组特定的初始条件总是会产生相同的结果。相反，新的研究从概率上模拟了湍流的波动，这种方法考虑了随机变化。

该团队将量子计算启发的算法应用于湍流，使他们能够在几个小时内完成一个经典算法在整个超级计算机上需要几天才能完成的计算。

量子计算机处理信息的方式与经典计算机完全不同。传统计算机使用比特进行计算:数据每次以一种状态存在，1或0。量子计算机使用量子比特(或“q比特”)，可以是0、1或两者的任意组合。研究作者使用了一种叫做张量网络的数学工具，可以用来模拟量子系统。

新泽西州普林斯顿大学天体物理学系博士后研究员詹姆斯·贝蒂(James Beattie)表示，通过以更简单的方式表示包含许多变量的数据，该团队已经能够加快开始理解湍流所需的复杂计算。贝蒂没有参与这项研究。

“他们正在运行的模拟是两种不同化学物质混合和反应的流体模拟。通过使用这种表示，这意味着这种相当复杂的计算可以使用少得多的内存，使它可以在笔记本电脑上运行，”贝蒂补充说。

“像这样的进步(内存利用率提高100万倍，计算速度提高1000倍)是罕见的，这使得湍流建模取得了令人兴奋的进展，”他说。

湍流的奥秘

Beattie补充说，虽然最新的研究是“惊人的进展”，但这并不是全部，并指出它没有解决规模问题，也没有解决不同大小的湍流漩涡如何相互联系的问题。

“正如作者所说，湍流是一个多尺度的问题，即湍流可以跨越数千光年到不到一英尺，”他通过电子邮件说。"我们想知道这些天平是如何相互交流的."

“这是模拟湍流流体如此具有挑战性的一个方面——我们希望在模拟中解决许多许多规模的问题，这需要大量的内存和计算，这意味着将这些模拟放在大型超级计算机上，”贝蒂说。

中国东南部厦门大学海洋与地球科学学院海洋环境科学国家重点实验室研究员、副教授黄永祥说，这项新研究“令人印象深刻”。

没有参与这项研究的黄说，Gourianov和他的团队已经提出了一种新的方法，可以显著减少内存使用和计算复杂性。然而，他同意这并没有描绘出一幅完整的画面，他说这是极其困难的，因为涉及的范围很广。

湍流被认为是物理学中最古老的未解决的问题。据说德国理论物理学家维尔纳·海森堡在临终时说:“当我见到上帝时，我要问他两个问题:为什么是相对论？为什么是湍流？我真的相信他会有第一个答案。”

Gourianov说，这项研究揭示的新技术的计算优势为科学研究开辟了新的、以前无法进入的湍流物理学领域，尽管这些发现并不真正意味着湍流的奥秘已经被揭开。他说，相对于现有技术，这将需要全新的算法或计算硬件。

“许多(非常有才华和天赋的)科学家已经研究了这个问题，但我们仍然没有接近解决它，”Gourianov说。

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