Entropi informasi mengungkap vortisitas dan aliran dalam plasma turbulen

Turbulensi di alam mengacu pada fluktuasi yang kompleks, tergantung pada waktu dan yang bervariasi secara spasial yang berkembang dalam cairan seperti air, udara dan plasma. Ini adalah fenomena universal yang muncul dalam berbagai skala dan sistem, dari arus atmosfer dan laut di bumi, hingga gas antarbintang di bintang dan galaksi, dan bahkan di dalam mesin reaksi dan aliran darah di arteri manusia.

Turbulensi tidak hanya kacau; Sebaliknya, ini terdiri dari hierarki dalam evolusi vortisitas yang berinteraksi, yang dapat mengatur dalam struktur skala besar atau menghasilkan pola aliran yang konsisten dari waktu ke waktu.

Dalam plasma fusi nuklir, pergolakan Ini memainkan peran penting dalam regulasi kurungan energi termal dan campuran partikel bahan bakar, yang secara langsung memengaruhi kinerja reaktor fusi. Tidak seperti turbulensi cairan sederhana, turbulensi plasma menyiratkan evolusi simultan dari beberapa bidang fisik, seperti kepadatan, suhu, medan magnet, dan arus listrik.

Jumlah ini saling terkait, membentuk keadaan di mana banyak aliran dan vortisitas kusut rumit. Memahami dan mendekode mekanisme dasar dari turbulensi lapangan yang kompleks dan berganda ini sangat penting untuk kontrol dan optimalisasi reaktor fusi di masa depan.

Secara tradisional, studi turbulensi plasma telah berfokus pada menganalisis fluktuasi jumlah fisik individu. Metode standar menyiratkan penguraian turbulensi dalam gelombang yang seragam yang tumpang tindih dan kemudian memeriksa distribusi dan transfer energi fluktuasi melalui skala.

Namun, dekomposisi berbasis gelombang ini menjadi tidak tepat ketika turbulensi membentuk struktur vortex lokal atau ketika beberapa jumlah bidang berinteraksi kuat. Oleh karena itu, telah ada kebutuhan yang berkembang untuk kerangka analisis baru, yang dapat menangkap struktur lokal dan mengungkapkan perilaku yang saling terkait dari beberapa bidang yang berfluktuasi dengan cara yang bersatu dan secara fisik.

Untuk menyelidiki bagaimana vortisitas dan aliran muncul, melokalisasi, dan berinteraksi dalam turbulensi plasma, go yatomi dari Institut Nasional untuk Ilmu Fusion (seorang mahasiswa pascasarjana di Sokendai pada saat pengajuan) dan mengeksekusi Metode Motorki Motorki Mulle-Foulde Metode Komazawa.

Teknik ini memperluas kerangka matematika dari dekomposisi nilai tunggal ke berbagai jumlah fisik, yang memungkinkan dekomposisi turbulensi kompleks dalam serangkaian pola spasial umum (atau basis) yang menangkap fluktuasi berkorelasi dalam berbagai bidang, seperti kepadatan, suhu dan potensi listrik.

Studi ini diterbitkan di Penelitian Tinjauan Fisik.

MFSVD memungkinkan menganalisis bagaimana fluktuasi multivariabel ini secara kolektif mendorong pembentukan dan evolusi struktur turbulen, seperti vortisitas dan aliran skala besar, dari perspektif terpadu.

Dari mode spasial bersama yang diekstraksi melalui MFSVD, para peneliti juga mendefinisikan dua langkah baru berdasarkan entropi informasi, konsep yang awalnya berakar pada mekanika kuantum dan teori informasi kuantum.

Yang pertama adalah entropi von Neumann (VNE), yang mengukur kompleksitas struktural dan keragaman fluktuasi turbulen. Yang kedua adalah entropi kusut (EE), yang mengukur tingkat kopling, atau “melekat”, antara struktur turbulen yang berbeda, menunjukkan seberapa kuat mereka berinteraksi.

Kedua kuantitas berasal dari matriks kepadatan yang dibangun secara matematis yang sejajar dengan rekannya dalam teori kuantum, menunjukkan analogi alami dan kuat antara keadaan kuantum dan sistem turbulen.

Saat menerapkan jumlah informasi teoritis ini ke simulasi numerik dari model turbulensi plasma, tim peneliti mengidentifikasi transisi yang sebelumnya diabaikan dalam keadaan turbulensi, yang tidak dapat dideteksi melalui analisis berbasis energi tradisional.

Transisi yang baru -baru ini ditemukan ini mencerminkan perubahan mendadak dalam pola kolektif vortisitas yang terjadi di belakang tempat aliran energi besar. Transisi pola -pola ini dapat secara signifikan mempengaruhi stabilitas aliran makroskopis dan, oleh karena itu, sangat penting untuk memahami kurungan plasma dan proses transportasi.

Selain itu, entropi kusut memungkinkan tim untuk mengekspresikan interaksi terperinci, seperti kapan dan di mana pola spesifik mentransfer energi atau fluktuasi kepada orang lain, ke satu ukuran. Dalam analisis konvensional, menangkap dinamika ini akan memerlukan memeriksa set data yang luas.

Sebaliknya, jumlah berbasis entropi ini menawarkan lensa baru yang melaluinya karakteristik penting dari interaksi turbulen non -linier dapat disuling dan dipelajari secara efisien.

Pendekatan yang diusulkan dalam penelitian ini, menganalisis transisi dan interaksi turbulensi dari perspektif entropi informasi, menjanjikan tidak hanya interpretasi data simulasi numerik tetapi juga untuk aplikasi untuk pengukuran eksperimental.

Bahkan dalam situasi di mana hanya ada sejumlah sensor yang tersedia atau alat diagnostik, metode ini dapat berfungsi sebagai panduan yang kuat untuk menentukan “berapa banyak data pengukuran yang cukup untuk menangkap karakteristik turbulensi esensial” dan “struktur vortex apa yang harus diprioritaskan untuk pengamatan.”

Penting untuk dicatat bahwa kerangka kerja berbasis entropi tidak terbatas pada turbulensi plasma. Diharapkan berlaku untuk berbagai sistem kompleks yang melibatkan banyak aliran skala dan fluktuasi yang digabungkan dalam banyak jumlah fisik, seperti dalam ilmu atmosfer dan samudera, jaringan lalu lintas dan transportasi, dan sistem sosial.

Melihat ke masa depan, tim peneliti bertujuan untuk memperdalam korespondensi teoretis antara entropi informasi dalam turbulensi dan prinsip -prinsip dalam teori informasi kuantum, sementara penerapan metode ini pada data pengukuran dunia nyata berkembang.

Dengan menggabungkan perspektif energi dan informasi, pekerjaan ini membuka cara baru untuk memahami dinamika esensial turbulensi dan fenomena kompleks lainnya.