Turbulens i naturen henviser til det komplekse, tidsafhængige og rumlige varierende svingninger, der udvikler sig i væsker som vand, luft og plasma. Det er et universelt fænomen, der vises på tværs af en lang række skalaer og systemer – fra atmosfæriske og oceaniske strømme på jorden, til interstellar gas i stjerner og galakser og endda inden for jetmotorer og blodstrøm i humane arterier.
Turbulens er ikke kun kaotisk; Snarere består det af et udviklende hierarki af interagerende hvirvler, der kan organisere sig i store strukturer eller producere sammenhængende strømningsmønstre over tid.
I nukleare fusionsplasma spiller turbulens en afgørende rolle i reguleringen af indeslutningen af termisk energi og blandingen af brændstofpartikler, hvilket direkte påvirker fusionsreaktorernes ydeevne. I modsætning til simpel væskebulens, involverer plasmavulbulens den samtidige udvikling af flere fysiske felter, såsom densitet, temperatur, magnetiske felter og elektriske strømme.
Disse mængder er sammenvævet og danner en tilstand, hvor flere strømme og hvirvler er indviklet sammenfiltret. Forståelse og afkodning af de grundlæggende mekanismer for sådanne komplekse, multi-felt-turbulens er vigtig for kontrol og optimering af fremtidige fusionsreaktorer.
Traditionelt har undersøgelser af plasmavulbulens fokuseret på at analysere udsving i individuelle fysiske mængder. En standardmetode involverer nedbrydning af turbulens i en superposition af rumligt ensartede bølger og derefter undersøge fordelingen og overførslen af svingningsenergi over skalaer.
Imidlertid bliver denne bølgebaserede nedbrydning utilstrækkelig, når turbulensen danner lokaliserede hvirvelstrukturer, eller når flere feltmængder interagerer stærkt. Der har således været et voksende behov for en ny analyseramme – en, der kan fange lokaliserede strukturer og afsløre den sammenflettede opførsel af flere svingende felter på en samlet og fysisk meningsfuld måde.
For at undersøge, hvordan hvirvler og strømme opstår, lokaliserer og interagerer inden for plasmavulbulens, går Yatomi fra National Institute for Fusion Science (en kandidatstuderende ved Sokendai på tidspunktet for indsendelse) og lektor Motoki Nakata af Komazawa University (også en besøgende forsker på Riken Ithems) udviklet en ny analyse metode kaldet Mult-Field Singular Value Decomposition (også en besøgende forsker).
Denne teknik udvider den matematiske ramme for nedbrydning af entall værdi til flere fysiske mængder, hvilket muliggør nedbrydning af kompleks turbulens til et sæt almindelige rumlige mønstre (eller baser), der fanger korrelerede udsving på tværs af forskellige felter, såsom densitet, temperatur og elektrisk potentiale.
Undersøgelsen er offentliggjort i Fysisk gennemgangsforskning.
MFSVD gør det muligt at analysere, hvordan disse multi-variable svingninger kollektivt driver dannelsen og udviklingen af turbulente strukturer, såsom hvirvler og store strømme, fra et samlet perspektiv.
Fra de delte rumlige tilstande, der blev ekstraheret via MFSVD, definerede forskerne yderligere to nye mål baseret på informationsentropi, koncepter, der oprindeligt var forankret i kvantemekanik og kvanteinformationsteori.
Den første er Von Neumann -entropien (VNE), der kvantificerer den strukturelle kompleksitet og mangfoldighed af turbulente udsving. Den anden er sammenfiltring entropi (EE), der måler graden af kobling – eller “sammenfiltring” – mellem forskellige turbulente strukturer, hvilket indikerer, hvor stærkt de interagerer.
Begge mængder er afledt af en matematisk konstrueret densitetsmatrix, der er parallelt med dens modstykke i kvanteteori, hvilket demonstrerer en naturlig og kraftig analogi mellem kvantetilstande og turbulente systemer.
Ved at anvende disse informationsteoretiske mængder på numeriske simuleringer af en plasmavulbulensmodel identificerede forskerteamet en tidligere overset overgang i turbulensstater-en, der ikke kan påvises gennem traditionel energibaseret analyse.
Denne nyligt opdagede overgang afspejler et pludseligt skift i de kollektive mønstre af hvirvler, der opstår bag kulisserne med større energistrømme. Sådanne mønsterovergange kan væsentligt påvirke makroskopisk strømningsstabilitet og er således kritiske for at forstå plasma -indeslutning og transportprocesser.
Desuden tillader sammenfiltringsentropien holdet at udtrykke detaljerede interaktioner, såsom hvornår og hvor specifikke mønstre overfører energi eller udsving til andre, i en enkelt foranstaltning. I konventionel analyse ville indfangning af sådan dynamik kræve at undersøge store datasæt.
I modsætning hertil tilbyder disse entropibaserede mængder en ny linse, gennem hvilken de væsentlige træk ved ikke-lineære turbulente interaktioner kan destilleres og studeres effektivt.
Den tilgang, der er foreslået i denne undersøgelse – analyseret turbulensovergange og interaktioner fra perspektivet af informationsentropi – lover ikke kun for at fortolke numeriske simuleringsdata, men også til anvendelse til eksperimentelle målinger.
Selv i situationer, hvor kun et begrænset antal sensorer eller diagnostiske værktøjer er tilgængelige, kan denne metode tjene som en kraftfuld guide til at bestemme “hvor meget måledata der er tilstrækkelig til at fange essentielle turbulensfunktioner” og “hvilke hvirvelstrukturer, der skal prioriteres til observation.”
Det er vigtigt, at den entropibaserede ramme, der er udviklet her, ikke er begrænset til plasmavulbulens. Det forventes at være relevant for en bred vifte af komplekse systemer, der involverer multi-skala strømme og koblede udsving på tværs af mange fysiske mængder-såsom i atmosfæriske og oceaniske videnskaber, trafik- og transportnet og sociale systemer.
Når man ser fremad, sigter forskerteamet at uddybe den teoretiske korrespondance mellem informationsentropi i turbulens og principper i kvanteinformationsteori, samtidig med at de fremmer anvendelsen af disse metoder til den virkelige verdens måledata.
Ved at kombinere perspektiverne fra både energi og information åbner dette arbejde en ny vej mod at forstå den essentielle dynamik i turbulens og andre komplekse fænomener.