راز میدان مغناطیسی زمین فاش شد: شبیه‌سازی انقلابی هسته، کلید هوش مصنوعی آینده؟

چطور زمین میدون مغناطیسیشو می‌سازه؟

هرچند مکانیسم‌های اصلیِ تولید میدان مغناطیسی زمین تا حد خوبی شناخته شده‌ن، ولی خیلی از جزییات هنوز توی پرده‌ی ابهام هستن. یه گروه از محققای مرکز درک سیستم‌های پیشرفته (CASUS) توی مرکز هلمولتز در درسدن-روسندورف (HZDR)، آزمایشگاه‌های ملی سندیا تو آمریکا و کمیسیون انرژی‌های جایگزین و انرژی هسته‌ای فرانسه (CEA)، یه روش جدید برای شبیه‌سازی معرفی کردن که کلی امید داره بهمون دیدهای تازه‌ای درباره‌ی هسته‌ی زمین بده. این روش نه‌تنها رفتار اتم‌ها رو شبیه‌سازی می‌کنه، بلکه به ویژگی‌های مغناطیسیِ مواد هم توجه داره. این رویکرد برای ژئوفیزیک خیلی مهمه و می‌تونه به پیشرفت فناوری‌های آینده مثل محاسبات نورومورفیک – که یه روش ابتکاری برای طراحی سیستم‌های هوش مصنوعیِ با بازدهی بالاتر محسوب می‌شه – کمک کنه. این تیم نتایج تحقیقاتشون رو تو نشریه‌ی PNAS چاپ کردن.

اهمیت میدان مغناطیسی زمین

میدان مغناطیسی زمین برای ادامه حیات حیاتیه، چون این میدان سیاره رو از تابش کیهانی و بادهای خورشیدی محافظت می‌کنه. میدان مغناطیسی زمین با اثر ژئودینامو تولید می‌شه. آتیلا کنگی، رئیس بخش یادگیری ماشین برای طراحی مواد در CASUS، توضیح می‌ده: «ما می‌دونیم که هسته‌ی زمین بیشتر از آهن ساخته شده. هرچی به هسته نزدیک‌تر می‌شیم، دما و فشار بالا می‌ره. زیاد شدن دما باعث می‌شه مواد ذوب بشن، در حالی که زیاد شدن فشار، اونا رو جامد نگه می‌داره. به‌خاطر شرایط خاص دما و فشار توی زمین، هسته‌ی بیرونی مایع هست، در حالی که هسته‌ی داخلی جامد می‌مونه.»

آهن مایع و دارای بار الکتریکی دور هسته جامد داخلی می‌چرخه و این جریان‌ها از چرخش زمین و جریان‌های همرفتی به‌وجود میان. این حرکت‌ها باعث تولید جریان‌های الکتریکی می‌شه که به نوبه‌ی خودشون میدون مغناطیسی سیاره رو می‌سازن. با این حال، سوالات مهمی در مورد هسته‌ی زمین هنوز بی‌جواب مونده. مثلاً، ساختار دقیق هسته‌ی اون چیه؟ و عناصر اضافه‌ای – که فکر می‌کنن همراه آهن وجود دارن – چه نقشی دارن؟ هر دو عامل می‌تونن تاثیر زیادی روی اثر ژئودینامو داشته باشن.

کشف‌های تازه از طریق آزمایش‌ها

سرنخ‌هایی از آزمایش‌هایی به‌دست میاد که توش دانشمندا امواج لرزه‌ای رو از طریق زمین می‌فرستن و «جواب» اونا رو با حسگرهای خیلی حساس اندازه‌گیری می‌کنن. سووتوسلاو نیکولوف از آزمایشگاه‌های ملی سندیا، نویسنده‌ی اصلی این مقاله، می‌گه: «این آزمایش‌ها نشون می‌ده که هسته بیشتر از آهن ساخته شده.» اون ادامه می‌ده: «اندازه‌گیری‌ها با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که فرض می‌کنن هسته‌ای از آهن خالص وجود داره، هم‌خونی نداره.»

شبیه‌سازی امواج شوک با کامپیوتر

تیم تحقیقاتی الان یه پیشرفت قابل توجه تو توسعه و آزمایش یه روش شبیه‌سازی جدید به‌دست آورده. نوآوری اصلی این روش که به اسم دینامیک اسپین مولکولی معروفه، تو ادغام دو روش شبیه‌سازی جدا از همِ قبلیه: دینامیک مولکولی که حرکت اتم‌ها رو مدل می‌کنه و دینامیک اسپین که ویژگی‌های مغناطیسی رو در نظر می‌گیره.

تحقیقات جدید توی زمینه مغناطیس و فشار زیاد

جولین ترانچیدا، فیزیک‌دان CEA، میگه: «با ترکیب این دو روش، تونستیم تاثیر مغناطیس رو توی شرایط فشار و دمای بالا روی مقیاس‌های طول و زمان که قبلاً دست‌نیافتنی بودن، بررسی کنیم.» به‌طور خاص، تیم تحقیقاتی رفتار دو میلیون اتم آهن و چرخششون رو شبیه‌سازی کرد تا تعامل پویا بین ویژگی‌های مکانیکی و مغناطیسی رو تحلیل کنه. این محققا، از هوش مصنوعی (AI) هم استفاده کردن و با به‌کارگیری یادگیری ماشین، میدان‌های نیرو – تعاملات بین اتم‌ها – رو با دقت بالایی مشخص کردن. توسعه و آموزش این مدل‌ها، نیاز به منابع محاسباتی با کارایی بالا داشت.

بعد از آماده شدن مدل‌ها، محققا شبیه‌سازی‌های واقعی رو انجام دادن: مدل دیجیتالی دو میلیون اتم آهن، که نماینده‌ی هسته‌ی زمین بود، تحت شرایط دما و فشار موجود درون زمین قرار گرفت. این کار با انتشار امواج فشار از طریق اتم‌های آهن انجام شد که گرم کردن و فشرده‌سازی اونا رو شبیه‌سازی می‌کرد. وقتی سرعت این امواج شوک کم‌تر بود، آهن به حالت جامد باقی موند و ساختارهای بلوری متفاوتی به‌خودش گرفت. ولی وقتی امواج شوک سریع‌تر بودن، آهن بیشتر به حالت مایع دراومد.

بخصوص، محققا فهمیدن که تاثیرات مغناطیسی به‌طور قابل توجهی روی ویژگی‌های ماده تاثیر میذاره. میچل وود، دانشمند مواد توی آزمایشگاه‌های ملی سندیا، می‌گه: «شبیه‌سازی‌های ما با داده‌های تجربی خیلی خوب هم‌خونی دارن و نشون می‌دن که تحت شرایط خاص دما و فشار، یه فاز خاص از آهن می‌تونه پایدار بشه و احتمالاً روی ژئودینامو اثر بذاره.» این فاز که به عنوان فاز bcc شناخته می‌شه، تا حالا توی آهن تحت این شرایط به صورت تجربی دیده نشده و فقط فرض شده. اگه این موضوع تایید بشه، نتایج روش دینامیک اسپین مولکولی می‌تونه به حل چندتا سوال در مورد اثر ژئودینامو کمک کنه.

پیشرفت‌های هوش مصنوعی با انرژی بهینه

علاوه بر کشف جزییات جدید درباره‌ی درون زمین، این روش پتانسیل ایجاد نوآوری‌های تکنولوژیک توی علم مواد رو هم داره. کنگی، هم توی بخش خودش و هم از طریق همکاری‌های بیرونی، قصد داره از این تکنیک برای مدل‌سازی دستگاه‌های محاسباتی نورومورفیک استفاده کنه. این نوع جدید سخت‌افزار که از نحوه‌ی کار مغز انسان الگوبرداری شده، می‌تونه یه روز الگوریتم‌های هوش مصنوعی رو سریع‌تر و با انرژی کمتری پردازش کنه.

با شبیه‌سازی دیجیتالی سیستم‌های نورومورفیک مبتنی بر اسپین، روش شبیه‌سازی جدید می‌تونه از توسعه‌ی راه‌حل‌های سخت‌افزاری نوآورانه و با بازدهی بالا برای یادگیری ماشین حمایت کنه. ذخیره داده‌ها هم یه مسیر جذاب دیگه برای تحقیقات بیشتره: دامنه‌های مغناطیسی توی طول نانولوله‌های کوچیک می‌تونن به عنوان رسانه‌های ذخیره‌سازی عمل کنن که سریع‌تر و با انرژی کمتری نسبت به فناوری‌های معمولی هستن. کنگی می‌گه: «در حال حاضر هیچ روش شبیه‌سازی دقیق برای هر دو کاربرد وجود نداره، ولی من مطمئنم که رویکرد جدید ما می‌تونه فرآیندهای فیزیکی مورد نیاز رو به شکلی واقعی مدل‌سازی کنه که بتونیم توسعه‌ی تکنولوژیک این نوآوری‌های IT رو به طور قابل توجهی سرعت ببخشیم.»