Lần đầu mô phỏng được sự lan truyền sóng hỗn loạn, xác nhận lý thuyết nhiễu loạn âm thanh
Các nhà nghiên cứu đã đi tiên phong trong việc sử dụng việc tính toán song song về thẻ đồ họa để mô phỏng nhiễu loạn âm thanh. Dạng mô phỏng này, trước đây phải thực hiện trên siêu máy tính, gờ có thể thực hiện trên các máy tính cá nhân thông thường.
Khám phá này sẽ giúp cho các mô hình dự báo thời tiết chính xác hơn trong khi vẫn cho phép sử dụng lý thuyết nhiễu loạn/chảy rối trong nhiều lĩnh vực của vật lý như vật lý thiên văn, để tính toán các quỹ đạo và sự lan truyền của sóng âm trong vũ trụ.
Nghiên cứu này được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters.
Nhiễu loạn/chảy rối là một hành xử hỗn loạn phức hợp của chất lỏng, khí và các sóng phi tuyến trong vô số các hệ vật lý. Ví dụ, chảy rối trong bề mặt đại dương có thể có nguyên nhân từ gió hoặc các dòng chảy gió (wind-drift currents), trong khi nhiễu loạn của phát xạ laser trong quang học xuất hiện khi ánh sáng tán xạ qua các lăng kính. Nhiễu loạn cũng có thể xuất hiện trong sóng âm lan truyền một cách hỗn loạn trong truyền thông như helium siêu lỏng.
Vào những năm 1970, các nhà khoa học Xô viết đề xuất là nhiễu loạn xuất hiện khi các sóng âm chệch khỏi sự cân bằng và chạm đến những biên độ lớn. Lý thuyết về nhiễu loạn sóng được áp dụng vào nhiều hệ sóng khác nhau, bao gồm các sóng từ thủy động lực học trong các tầng điện ly bị ion hóa của các ngôi sao và các hành tinh khổng lồ, và có lẽ ngay cả sóng hấp dẫn của vũ trụ sớm. Cho đến gần đây thì người ta vẫn gần như không thể dự đoán được các mẫu hình lan truyền của phi tuyến (ví dụ chuyển động một cách hỗn loạn) của các sóng âm và những loại sóng khác bởi vì cần độ phức tạp trong tính toán rất cao.
Các nhà nghiên cứu từ Skoltech, Viện Vật lý Electro của chi nhánh Ural thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga (RAS) ở Yekaterinburg và Viện Vật lý Lebedev (RAS) ở Moscow đã lần đầu phát hiện ra một giải pháp số để miêu tả phương trình lan truyền của sóng âm trong nhiễu loạn/chảy rối, qua đó chứng minh được lý thuyết mà các nhà khoa học Xô viết đề xuất.
Các nhà nghiên cứu tìm ra những giải pháp ở vô số phần khác nhau của phương trình mà miêu tả về mặt toán học sự lan truyền của sóng âm bằng việc song song tính toán trên bốn bộ xử lý đồ họa (thẻ đồ họa) được lắp đặt trên cùng một máy tính. Thay vì sử dụng một cụm các máy tính cực đắt đỏ và cực lớn – một siêu máy tính – có thể đem lại một câu trả lời tương tự, nhóm nghiên cứu đã chạy một mô phỏng và đạt được một lời giải số chính xác chỉ bằng một máy tính cá nhân nhỏ.
Để xác nhận lời giải của mình, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng sự lan truyền của sóng âm trong một môi trường phi tuyến tương tự như helium siêu chảy tại nhiệt độ – 270°C. Trong những điều kiện này, helium trở thàng một siêu dẫn lượng tử siêu dẫn có thể sử dụng trong các siêu dẫn – một yếu tố thiết yếu của máy tính lượng tử, tàu đệm từ (ở Trung Quốc và Nhật Bản), và nhiều thiết bị công nghệ khác. Helium siêu lỏng cũng hữu dụng trong ngành công nghiệp hạt nhân.
Lý thuyết nhiễu loạn xác nhận, sóng âm là một phát hiện quan trọng tương tự với bảng tuần hoàn, nơi lý thuyết về nhiễu loạn sóng tái hiện diện bảng tuần hoàn và mỗi dạng nhiễu loạn âm, hấp dẫn, từ thủy động lực học là một nguyên tố có đặc tính được miêu tả một cách đầy đủ bằng vị trí của nó trên bảng tuần hoàn và dự đoán một cách chính xác bằng lý thuyết đó.
Lý thuyết cuộn xoáy/chảy rối có thể được ứng dụng vào bất kỳ hệ sóng, như các sóng đại dương: lời giải số của các phương trình đó đã được tích hợp vào các mô hình dự đoán thời tiết toàn cầu và mô hình khí hậu, khiến cho các dự đoán thời tiết trở nên chính xác hơn.
“Việc giải thích bản chất của nhiễu loạn/chảy rối là một trong những câu hỏi mở quan trọng nhất của vật lý hiện đại. Dự báo thời tiết ngày một trở nên chính xác hơn là nhờ sự phát triển của lý thuyết này. Chúng tôi sẽ lên kế hoạch nghiên cứu về các hệ sóng khác như các sóng đại dương biên độ lớn.
Thật đáng ngạc nhiên là sóng âm và sóng đại dương có nhiều điểm chung: ví dụ, sự phá vỡ sóng đại dương biên độ lớn tương tự với sự hình thành cả sóng sốc âm. Sự phá vỡ sóng dẫn đến các mức năng lượng cao hoặc các mật độ áp suất. Có một giả thuyết là nhiễu loạn/chảy rối là nguyên nhân của những suy sụp của bản chất khác biệt”, theo nhận xét Evgeny Kochurin, một thành viên của nhóm nghiên cứu.
Kochurin đang làm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Các hệ tích hợp và Nhiễu loạny/chảy rối tại Trung tâm Nghiên cứu tiên tiến Igor Krichever tại Skoltech và một nhà nghiên cứu chính tại Phòng thí nghiệm Động lực phi tuyến tại Viện nghiên cứu Vật lý Electron tại chi nhánh Ural của RAS.
Anh Vũ dịch từ Skolkovo Institute of Science and Technology
