راز ساخت میدان مغناطیسی زمین: شبیه‌سازی جدید، هوش مصنوعی و فناوری آینده

چطور زمین میدان مغناطیسی‌اش رو می‌سازه؟

با اینکه مکانیسم‌های اصلی ایجاد میدان مغناطیسی زمین تا حدودی مشخص شده، اما هنوز خیلی چیزها هست که نمی‌دونیم. یه گروه از محققین از مرکز سیستم‌های پیشرفته (CASUS) در هلم‌هولتز-زنتروم درسدن-روسندورف (HZDR)، آزمایشگاه‌های ملی ساندیا در آمریکا و کمیسیون انرژی‌های نوین و انرژی هسته‌ای فرانسه (CEA) یه روش جدید شبیه‌سازی معرفی کردن که می‌تونه اطلاعات تازه‌ای در مورد هسته زمین بهمون بده. این روش نه تنها رفتار اتم‌ها رو شبیه‌سازی می‌کنه، بلکه خواص مغناطیسی مواد رو هم در نظر می‌گیره. این موضوع برای ژئوفیزیک خیلی مهمه و می‌تونه به پیشرفت فناوری‌های آینده مثل محاسبات نورومورفیک — یه رویکرد جدید برای ساخت سیستم‌های هوش مصنوعیِ با بازدهی بیشتر — کمک کنه. این تیم نتایجشون رو در مجله‌ی PNAS منتشر کردن.

اهمیت میدان مغناطیسی زمین

میدان مغناطیسی زمین برای زندگی ضروریه، چون سیاره رو از تابش‌های کیهانی و بادهای خورشیدی محافظت می‌کنه. این میدان توسط پدیده‌ای به اسم ژئودینامو تولید می‌شه. آتیلا کنگی، رئیس بخش یادگیری ماشین برای طراحی مواد در CASUS، توضیح می‌ده: “ما می‌دونیم که هسته زمین بیشتر از آهن ساخته شده. هر چی به مرکز زمین نزدیک‌تر بشیم، دما و فشار بیشتر می‌شه. افزایش دما باعث ذوب شدن مواد می‌شه، در حالی که افزایش فشار اون‌ها رو جامد نگه می‌داره. به خاطر شرایط خاص دما و فشار در داخل زمین، هسته بیرونی مایع هست، اما هسته داخلی جامد می‌مونه.”

آهن مایع و باردار دور هسته جامد داخلی جریان داره و این جریان به وسیله چرخش زمین و جریان‌های همرفتی ایجاد می‌شه. این حرکت‌ها، جریان‌های الکتریکی می‌سازن که به‌نوبه خودشون میدان مغناطیسی سیاره رو به‌وجود میارن. با این حال، سوالات مهمی در مورد هسته زمین هنوز بی‌پاسخ مونده. مثلاً، ساختار دقیق هسته چیه؟ و نقش عناصر دیگه‌ای که فکر می‌کنیم همراه آهن هستن، چیه؟ هر دوی این عوامل می‌تونن تاثیر زیادی روی ژئودینامو داشته باشن.

کشف سرنخ‌ها از طریق آزمایش‌ها

سرنخ‌هایی از آزمایش‌هایی به‌دست میاد که توشون دانشمندا امواج لرزه‌ای رو به داخل زمین می‌فرستن و «اکو»های اون‌ها رو با حسگرهای خیلی دقیق اندازه‌گیری می‌کنن. سووتوسلاو نیکولوف از آزمایشگاه‌های ملی ساندیا، نویسنده اصلی این مقاله، می‌گه: “این آزمایش‌ها نشون می‌دن که هسته فقط از آهن تشکیل نشده. اندازه‌گیری‌ها با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که فرض می‌کنن هسته از آهن خالص درست شده، مطابقت نداره.”

شبیه‌سازی امواج ضربه‌ای در کامپیوتر

تیم تحقیقاتی حالا با توسعه و آزمایش یه روش شبیه‌سازی جدید، پیشرفت قابل توجهی داشته. نوآوری اصلی این روش که اسمش دینامیک اسپین مولکولی هست، در ترکیب دو روش شبیه‌سازی که قبلاً جدا بودن، خلاصه می‌شه: دینامیک مولکولی که حرکت اتم‌ها رو مدل‌سازی می‌کنه و دینامیک اسپین که خواص مغناطیسی رو در نظر می‌گیره.

بررسی تاثیر مغناطیس در شرایط فشار و دمای بالا

جولیان ترانچیدا، فیزیکدان CEA، تاکید می‌کنه: “با ترکیب این دو روش، تونستیم تاثیر مغناطیس رو در شرایط فشار و دمای بالا بررسی کنیم، توی مقیاس‌هایی از طول و زمان که قبلاً نمی‌شد بهشون دسترسی داشت.” این تیم به‌طور خاص رفتار دو میلیون اتم آهن و چرخش‌های اون‌ها رو شبیه‌سازی کرد تا تعامل پویا بین خواص مکانیکی و مغناطیسی رو تحلیل کنه. محققین همچنین از هوش مصنوعی (AI) استفاده کردن و با به‌کارگیری یادگیری ماشین، میدان‌های نیرو—تعاملات بین اتم‌ها— رو با دقت بالایی تعیین کردن. توسعه و آموزش این مدل‌ها به منابع محاسباتی با توان بالا نیاز داشت.

بعد از آماده شدن مدل‌ها، محققین شبیه‌سازی‌های واقعی رو انجام دادن: مدل دیجیتالی دو میلیون اتم آهن، که نماینده هسته زمین بود، تحت شرایط دما و فشار درون زمین قرار گرفت. این کار با فرستادن امواج فشاری از طریق اتم‌های آهن انجام شد که گرم شدن و فشرده‌سازی اون‌ها رو شبیه‌سازی می‌کرد. وقتی سرعت این امواج ضربه‌ای کم‌تر بود، آهن جامد موند و ساختارهای بلوری متفاوتی به‌خودش گرفت. اما وقتی امواج ضربه‌ای سریع‌تر بودن، آهن بیشتر به حالت مایع دراومد.

به‌طور ویژه، محققین فهمیدن که تاثیرات مغناطیسی به‌طور قابل توجهی روی خواص ماده اثر می‌ذاره. میشل وود، دانشمند مواد در آزمایشگاه ملی ساندیا، می‌گه: “شبیه‌سازی‌های ما با داده‌های تجربی خیلی خوب هماهنگه و نشون می‌ده که تحت شرایط خاص دما و فشار، یه فاز خاص از آهن می‌تونه ثابت بشه و احتمالاً روی ژئودینامو تاثیر بذاره.” این فاز که به اسم فاز bcc شناخته می‌شه، تا حالا در آهن تحت این شرایط به‌طور تجربی دیده نشده و فقط فرض شده. اگه این نتایج تایید بشن، نتایج روش دینامیک اسپین مولکولی می‌تونه به حل چندتا سوال در مورد اثر ژئودینامو کمک کنه.

پیشرفت هوش مصنوعی با انرژی کم

علاوه بر کشف جزئیات جدید در مورد درون زمین، این روش پتانسیل ایجاد نوآوری‌های تکنولوژیکی در علم مواد رو هم داره. کنگی، هم تو بخش خودش و هم از طریق همکاری‌های خارجی، قصد داره از این تکنیک برای مدل‌سازی دستگاه‌های محاسباتی نورومورفیک استفاده کنه. این نوع جدید از سخت‌افزار که از نحوه کارکرد مغز انسان الهام گرفته شده، می‌تونه یه روزی الگوریتم‌های هوش مصنوعی رو سریع‌تر و با مصرف انرژی کمتری پردازش کنه. با شبیه‌سازی دیجیتالی سیستم‌های نورومورفیک مبتنی بر اسپین، روش شبیه‌سازی جدید می‌تونه از توسعه راه‌حل‌های سخت‌افزاری نوآورانه و با بازدهی بالا برای یادگیری ماشین پشتیبانی کنه.

ذخیره‌سازی داده‌ها هم یه مسیر جذاب دیگه برای تحقیق بیشتره: دامنه‌های مغناطیسی داخل نانولوله‌های کوچیک می‌تونن مثل رسانه‌های ذخیره‌سازی عمل کنن که سریع‌تر و با انرژی کمتری نسبت به فناوری‌های معمول هستن. کنگی می‌گه: “در حال حاضر هیچ روش شبیه‌سازی دقیقی برای هر دو کاربرد وجود نداره. ولی من مطمئنم که رویکرد جدید ما می‌تونه فرآیندهای فیزیکی مورد نیاز رو به‌شکلی واقعی مدل‌سازی کنه که بتونیم توسعه تکنولوژیکی این نوآوری‌های IT رو به‌طور قابل توجهی سرعت ببخشیم.”