Cientistas fazem “avanço raro” na solução do mais antigo problema não resolvido da física
Uma equipe internacional de cientistas deu um passo significativo na compreensão da turbulência, um fenômeno natural observado em fluidos como água em movimento, correntes oceânicas, reações químicas, fluxo sanguíneo, nuvens de tempestade, fumaça e até mesmo no plasma das estrelas. Embora o fluxo turbulento seja caótico e irregular, pesquisadores têm tentado ao longo dos anos modelar esse processo complexo usando equações matemáticas e computadores. No entanto, mesmo com supercomputadores modernos, simulações diretas e precisas de fluxos turbulentos continuam fora de alcance, e a turbulência permanece um enigma para os cientistas há cerca de 200 anos.
Agora, uma nova abordagem para simular a turbulência foi desenvolvida, inspirada em métodos da computação quântica. Este avanço foi descrito em um estudo publicado no dia 29 de janeiro na revista Science Advances. A capacidade de modelar e prever esse fenômeno com precisão poderia ter diversas aplicações práticas na ciência e engenharia, como aprimorar o design de aviões, carros, hélices, corações artificiais e aumentar a precisão das previsões meteorológicas, segundo Nik Gourianov, autor principal do estudo e pesquisador do departamento de física da Universidade de Oxford.
Uma Nova Fronteira na Simulação de Turbulências
Gourianov afirma que a turbulência sempre foi um problema não resolvido, no sentido de que não podemos simular exatamente fluxos realistas em computadores, ainda sendo necessário o uso de túneis de vento para projetar asas de aeronaves. No entanto, avanços como este ajudam a “desbastar” o problema e empurrar as fronteiras do conhecimento. A maioria das abordagens anteriores para simular a turbulência dependia de uma estratégia determinística, que com um conjunto específico de condições iniciais sempre produz os mesmos resultados. Em contraste, a nova pesquisa modelou as flutuações na turbulência de maneira probabilística, considerando variações aleatórias.
A equipe aplicou um algoritmo inspirado em computação quântica a fluxos turbulentos, permitindo realizar cálculos em algumas horas que levariam dias para serem feitos por um algoritmo clássico em um supercomputador inteiro. Os computadores quânticos processam informações de uma maneira fundamentalmente diferente dos computadores clássicos. Enquanto os computadores tradicionais realizam cálculos usando bits, que existem em um estado de cada vez (zero ou um), os computadores quânticos utilizam bits quânticos (ou “Qbits”), que podem ser zeros, uns ou qualquer combinação dos dois. O estudo utilizou uma ferramenta matemática chamada redes tensoriais, que pode ser usada para simular um sistema quântico.
Impactos e Limitações do Novo Método
James Beattie, pesquisador associado no departamento de ciências astrofísicas da Universidade de Princeton, comentou que ao representar dados com muitas variáveis de maneira mais simples, a equipe conseguiu acelerar cálculos complexos necessários para começar a entender a turbulência. Embora não tenha participado da pesquisa, Beattie observou que a simulação feita é de fluidos de dois produtos químicos diferentes se misturando e reagindo. Usando essa representação, o cálculo complexo pode usar significativamente menos memória, possibilitando sua execução em um laptop comum. Ver avanços como um milhão de vezes mais eficiência no uso de memória e mil vezes mais rapidez no cálculo é raro, tornando este um progresso empolgante na modelagem da turbulência.
No entanto, Beattie destacou que, embora o estudo atual seja um “progresso incrível”, ele não aborda questões de escala ou como vórtices turbulentos de diferentes tamanhos se relacionam entre si. A turbulência é um problema de múltiplas escalas, ou seja, pode variar de milhares de anos-luz a menos de um metro. Queremos entender como essas escalas interagem, o que torna a simulação de fluidos turbulentos tão desafiadora, exigindo resolução de muitas escalas na simulação, consumindo muita memória e computação, e necessitando de grandes supercomputadores.
O Mistério Duradouro da Turbulência
Yongxiang Huang, pesquisador e professor associado na Universidade de Xiamen, considerou a nova pesquisa “altamente impressionante”. Gourianov e sua equipe desenvolveram um método inovador que reduz significativamente o uso de memória e a complexidade computacional. No entanto, Huang concorda que a pesquisa não oferece uma visão completa, devido à ampla gama de escalas envolvidas. A turbulência tem sido descrita como o problema mais antigo não resolvido da física. O físico teórico alemão Werner Heisenberg teria dito em seu leito de morte que, ao encontrar Deus, gostaria de perguntar sobre a relatividade e a turbulência, acreditando que haveria uma resposta apenas para a primeira.
Gourianov mencionou que a vantagem computacional da nova técnica abre novas áreas da física da turbulência para investigação científica, mas os resultados não significam que o mistério da turbulência foi desvendado. Isso exigiria novos algoritmos ou hardware de computação drasticamente diferentes do que temos atualmente. Muitos cientistas talentosos já estudaram o problema, mas ainda estamos longe de resolvê-lo.
