Wlewanie i mieszanie śmietanki do kawy to z punktu widzenia hydrodynamiki płynów bardzo skomplikowany problem. Jednak sprawdzenie, czy model komputerowy opisujący to zjawisko jest poprawny, jest dużo prostsze, niż sprawdzenie, czy model mieszania się i turbulencji w gazie wyrzucanym podczas eksplozji gwiazd, błysków rentgenowskich, wybuchów nowych czy supernowych typu Ia. Naukowcom z Center for Astrophysical Thermonuclear Flashes przy University of Chicago, sprawdzenie czy ich model opisuje rzeczywistość a następnie wykorzystanie go ma zająć najbliższych 5 lat. Na ten cel dostali 22 milionów dolarów z Departamentu Energii USA.

Jeśli nie masz pewności, że twoja symulacja dobrze przybliża naturę, tracisz czas” – mówi Alan Calder, naukowiec z Flash Center. – “Nie chodzi nawet o to, że w kodzie może kryć się błąd. Chodzi raczej o to, czy program dobrze odgrywa fizykę, i czy fizyka, która została przetworzona w kod, to ta, której naprawdę potrzeba“. Naukowcy z Flash Center dążą do opracowania modelu od momentu powstania Centrum w 1997 roku.

Sprawdzanie poprawności modelu komputerowego to praktycznie nowa dziedzina fizyki” – mówi Robert Rosner, profesor astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie w Chicago. – “Gdy zaglądasz do prac i książek, aż zadziwiające jak mało tam jest na ten temat“. Rosner i Calder są współautorami prawdopodobnie pierwszej tak obszernej pracy opisującej proces weryfikacji. Sprawdzenie poprawności symulacji z Flash Center może mieć fundamentalne znaczenie dla podobnych badań na ważnymi procesami fizycznymi, prowadzonych na całym świecie.

Zamówienie na program Flash Center przysłało prawie 200 instytucji naukowych z całego świata, w tym Niemiec, Włoch, Japonii, Norwegii i Polski.

Nasz kod będzie można użyć do rozwiązywania wielu rodzajów problemu, tak obliczeń astrofizycznych jak symulacji doświadczeń laboratoryjnych” – mówi Rosner. – “Chcieliśmy, żeby był to kod wspólny. Jest używany przez wielu ludzi, nie tylko tu w Chicago“. Departament Energii USA zainteresował się programem w związku z jego zastosowaniami w badaniach nad niezawodnością broni nuklearnej. “Broń nuklearna to bardzo delikatny obiekt” – mówi Rosner – “Jej starzenie się może być destruktywne, choć mamy nadzieje że da się przewidywać“.

Z punktu widzenia nauki, wybuchy supernowych typu Ia to miara astronomiczna, na której podstawie naukowcy wnioskowali, że Wszechświat będzie się stale rozszerzał. Błyski X z kolei dostarczyły informacji o cechach charakterystycznych gwiazd neutronowych, które są pozostałościami po wybuchu supernowych. Wybuchy gwiazd nowych pozwoliły naukowcom określić, jakie ilości konkretnych pierwiastków znajdują się we Wszechświecie i zrozumieć dynamikę starzenia się gwiazd w ciasnych układach podwójnych.

Publikacja Rosnera wyjaśnia dwa testy, podczas których porównano wyniki symulacji z wynikami eksperymentalnymi. W jednym wypadku wyniki zgodziły się, w drugim nie. To kazało zwrócić uwagę na potrzebę przeprowadzania weryfikacji modeli i trudności, jakie takie sprawdzanie dostarcza, kiedy trzeba szacować błędy i niepewności teorii, doświadczenia i obliczeń.

Kod sprawdził się dobrze w przypadku eksperymentu z użyciem lasera. Wykonane na University of Rochester doświadczenie zaplanowano tak, aby odtworzyć proces zapadania się jądra supernowej. Na maleńką kapsułkę składającą się z trzech warstw coraz mniejszej gęstości, kierowano laser. Pod jego wpływem kapsułka ulegała kompresji, a odparowany materiał ulatniał się z niej.

Trójwymiarowe symulacje gwałtownego mieszania się cieczy. Gęsta ciecz (kolor czerwony) miesza się z mniej gęstą (jasny kolor). Rozdzielczość kolejnych ujęć zwiększa się od lewej do prawej.

Rezultaty eksperymentu i symulacji nie zgodziły się w przypadku doświadczenia przeprowadzonego w Linear Electric Motor w Lawrence Livermore National Laboratory. Eksperyment prezentował, jak pod wpływem oddziaływania grawitacyjnego cięższa ciecz oddziaływała ze znajdującą się pod nią lżejszą cieczą. Doświadczenie było związane z niestabilnością Rayleigha-Taylora, procesem, który prowadzi do gwałtownego mieszania się substancji na Ziemi, a także podczas wybuchu supernowej. Do rozstrzygnięcia pozostaje fakt, czy niezgodność wynikała z znaczącej niedokładności pomiarów warunków początkowych, czy innych aspektów eksperymentu i modelu. Nad odpowiedzią pracują zarówno teoretycy jak i fizycy doświadczalni.

Autor

Anna Marszałek