Cientistas fazem descobertas sobre mais antigo problema da física; entenda

Cientistas fizeram um avanço significativo na compreensão do padrão e estrutura da turbulência — um fenômeno natural observado em fluidos como água em movimento, correntes oceânicas, reações químicas, fluxo sanguíneo, nuvens de tempestade, plumas de fumaça e até mesmo o plasma das estrelas.

Embora o fluxo turbulento seja caótico e irregular, pois o movimento de um fluido causa a formação de vórtices ou redemoinhos maiores que se decompõem em menores, os físicos há muito tentam estudar e modelar o processo usando equações matemáticas e computadores.

No entanto, mesmo com supercomputadores modernos, uma simulação direta e precisa de todos os fluxos turbulentos, exceto os mais simples, permanece fora de alcance, e uma compreensão completa da turbulência tem escapado dos pesquisadores por cerca de 200 anos.

Agora, uma equipe internacional de cientistas desenvolveu uma nova abordagem para simular a turbulência que emprega um método inspirado na computação quântica, descrito em um estudo publicado em 29 de janeiro na revista Science Advances.

A capacidade de modelar e prever com precisão o fenômeno poderia ter muitas aplicações práticas em ciência e engenharia, potencialmente melhorando o design de aviões, carros, hélices, corações artificiais e tornando a previsão do tempo mais precisa, disse o autor principal do estudo, Nik Gourianov, pesquisador do departamento de física da Universidade de Oxford.

“A turbulência era e ainda é um problema não resolvido no sentido de que não podemos simular exatamente fluxos realistas em computadores, ou seja, ainda precisamos de um túnel de vento para projetar uma asa de avião. Mas avanços como o nosso ‘reduzem’ o problema e empurram a fronteira”, disse Gourianov.

A maioria das abordagens anteriores para simular turbulência dependia de uma estratégia determinística, que com um conjunto específico de condições iniciais sempre produz os mesmos resultados, explicou Gourianov.

Em vez disso, a nova pesquisa modelou as flutuações na turbulência probabilisticamente, uma abordagem que leva em conta a variação aleatória.

A equipe aplicou um algoritmo inspirado na computação quântica aos fluxos turbulentos, permitindo que eles computassem em algumas horas o que levaria vários dias para um algoritmo clássico fazer em um supercomputador inteiro.

Os computadores quânticos processam informações de uma maneira fundamentalmente diferente dos computadores clássicos. As ferramentas tradicionais fazem cálculos usando bits: dados que existem em um estado por vez, um ou zero. Computadores quânticos usam bits quânticos (ou “Qbits”), que podem ser zeros, uns ou qualquer combinação de ambos.

Os autores do estudo usaram uma ferramenta matemática chamada redes tensoriais que pode ser usada para simular um sistema quântico. James Beattie, um pesquisador pós-doutoral e fellow no departamento de ciências astrofísicas da Universidade de Princeton em Nova Jersey, que não esteve envolvido na pesquisa, disse que, ao representar dados com muitas variáveis de uma maneira mais simples, a equipe conseguiu acelerar cálculos complexos necessários para começar a entender a turbulência.

“A simulação que eles estão executando é uma simulação de fluido de dois produtos químicos diferentes se misturando e reagindo. Ao usar essa representação, significa que esse cálculo bastante complexo pode usar significativamente menos memória, permitindo que seja executado em um laptop”, acrescentou Beattie.

“Ver avanços como este (uma utilização de memória um milhão de vezes melhor e uma aceleração de mil vezes na computação) é raro, tornando este um avanço empolgante na modelagem de turbulência”, disse ele.

O mistério sobre a turbulência

Embora o último estudo seja “um progresso incrível”, não é a história completa, acrescentou Beattie, observando que não aborda questões de escala, ou como vórtices turbulentos de diferentes tamanhos se relacionam entre si.

“A turbulência, como os autores dizem, é um problema multiescala, ou seja, a turbulência pode abranger desde milhares de anos-luz até menos de um pé”, disse ele por e-mail. “Queremos saber como essas escalas se comunicam entre si.”

“Este é um aspecto que torna tão desafiadora a simulação de fluidos turbulentos — queremos resolver muitas, muitas escalas na simulação, que ocupam muita memória e computação, o que significa colocar essas simulações em grandes supercomputadores”, disse Beattie.

A nova pesquisa é “altamente impressionante”, disse Yongxiang Huang, pesquisador e professor associado do Laboratório Estatal de Ciência Ambiental Marinha e Faculdade de Oceanografia e Ciências da Terra da Universidade de Xiamen, no sudeste da China. Gourianov e sua equipe desenvolveram um método inovador que reduz significativamente o uso de memória e a complexidade computacional, afirmou Huang, que não participou do estudo.

No entanto, ele concordou que isso não apresentava um quadro completo, o que disse ser extremamente difícil devido à ampla gama de escalas envolvidas.

A turbulência tem sido descrita como o mais antigo problema não resolvido da física. O físico teórico alemão Werner Heisenberg supostamente disse em seu leito de morte: “Quando eu encontrar Deus, vou fazer duas perguntas: Por que a relatividade? E por que a turbulência? Realmente acredito que ele terá uma resposta para a primeira.”

Gourianov disse que a vantagem computacional da nova técnica revelada pelo estudo abre novas áreas da física da turbulência, anteriormente inacessíveis para investigação científica, embora as descobertas não signifiquem realmente que o mistério da turbulência tenha sido desvendado. Isso, disse ele, exigiria algoritmos drasticamente novos ou hardware de computação em relação ao que está disponível agora.

“Muitos cientistas (excepcionalmente talentosos e dotados) já analisaram este problema, mas ainda nem estamos perto de resolvê-lo”, disse Gourianov.

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