تعد السوائل هي المهندسون الخفيون لعالمنا، فهي تشكل كل شيء بدءاً من الهواء الذي يبرد مدينة في يوم حار وصولاً إلى الوقود الذي يحرك محرك الطائرة النفاثة. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء والمهندسون على محاكاة حاسوبية معقدة للتنبؤ بكيفية سلوك هذه السوائل والغازات. هذه المحاكاة، التي تحل المعادلات الأساسية للحركة، قوية للغاية ولكنها مكلفة للغاية أيضاً. وللحصول على إجابة دقيقة، غالباً ما تتطلب حواسيب فائقة تعمل لعدة أيام، وحتى حينها، يمكن أن تكون النتائج بعيدة عن الصواب بهامش ملحوث لأن النماذج تعتمد على تخمينات مدروسة لملء الفجوات. وهذا يخلق عقبة: فالأدوات الأكثر دقة مكلفة جداً بالنسبة للعديد من الباحثين، بينما تفتقر الأدوات الأرخص إلى الدقة المطلوبة لاتخاذ قرارات حاسمة في مجالات الطاقة والمناخ والصناعة. والسؤال الذي طالما طُرح هو: هل يمكننا تجريد العملية من التخمين وقوة الحوسبة الثقيلة، واستبدالهما بفيزياء نقية خالصة تعمل على حاسوب محمول عادي؟

اقترح باحث يدعى لوكاس ليما فريتاج طريقاً جديداً للمضي قدماً من خلال نموذج يسمى "فلودو يونيفرسال" (Fluido Universal). فبدلاً من محاولة تعلم قواعد حركة السوائل من كميات هائلة من البيانات، كما تفعل العديد من أنظمة الذكاء الاصطناعي الحديثة، يبدأ هذا النهج بالقوانين الأساسية للطبيعة ويكتبها كصيغ رياضية دقيقة. كان الهدف هو إنشاء نظام يمكنه التنبؤ بثمانية عشر سلوكاً مختلفاً للسويد عبر اثني عشر بيئة مختلفة تماماً، تتراوح من الاضطراب الدوامي داخل الأنبوب إلى التدفق شديد البرودة للهيليوم السائل، وحتى الغلاف الجوي الرقيق للمريخ. بنى الباحث محاكياً رقمياً يعمل مباشرة في متصفح الويب، مما يسمح لأي شخص يمتلك حاسوباً عادياً بمشاهدة هذه التنبؤات وهي تحدث في الوقت الفعلي. لا يتعلم النظام من خلال التجربة والخطأ؛ بل يقوم ببساطة بحساب الإجابة بناءً على الثوابت الفيزيائية المعروفة، مثل كتلة الذرة أو سرعة الضوء، والتي تم قياسها بدقة متناهية من قبل المجتمع العلمي العالمي.

جوهر هذا العمل هو مجموعة من ثمانية عشر مؤشراً محدداً، أو نقاط تفتيش، تعمل كتقرير أداء لمدى فهم النموذج للعالم الفيزيائي. تغطي نقاط التفتيش هذه طيفاً واسعاً من سلوك السوائل. بعضها ينظر إلى كيفية تحرك الهواء بالقرب من جدار صلب، وبعضها الآخر يفحص الدوامات الصغيرة الفوضوية التي تتشكل في العاصفة، وبعضها يختبر حتى كيفية سلوك السويد عندما تكون باردة جداً لدرجة أنها تصبح سوائل فائقة، أو رقيقة جداً لدرجة أنها تعمل كجسيمات غازية فردية. نظم الباحث هذه المؤشرات في مجموعتين: تتكون المجموعة الأولى من قوانين يمكن كتابتها كصيغ دقيقة، مما يعني أن إجاباتها معروفة قبل بدء المحاكاة. أما المجموعة الثانية فتتضمن سلوكيات تُقاس من التدفق المحاكى نفسه، مثل حجم أصغر الدوامات في تيار مضطرب. ومن خلال مقارنة مخرجات المحاكي مقابل هذه القوانين المعروفة، استطاع الباحث قياس دقة النموذج دون الحاجة إلى تشغيل محاكاة منفصلة ومكلفة على حاسوب فائق للمقارنة.

أظهرت النتائج أن نهج الفيزياء النقية هذا دقيق بشكل ملحوظ. ففي جميع المؤشرات الثمانية عشر، كان متوسط الخطأ أقل من واحد بالمائة. وفي أصعب الحالات، لم يتجاوز الخطأ حوالي ثلاثة بالمائة. ولوضع ذلك في منظور، فإن البرمجيات الصناعية التي تستخدمها كبرى الشركات الهندسية اليوم تظهر عادةً أخطاء تتراوح بين ستة إلى ثمانية عشر بالمائة لمهام مماثلة. حقق النموذج الجديد هذا المستوى العالي من الدقة دون استخدام أي تعلم آلي، ودون الحاجة إلى مجموعة بيانات تدريبية، ودون الحاجة إلى حاسوب فائق. إنه يعمل على بطاقة الرسوميات في حاسوب محمول عادي، ويقوم بتحديث المحاكاة ستين مرة في الثانية. وهذا يعني أنه يمكن لطالب أو مهندس فتح صفحة ويب، وتعديل الظروف، ورؤية كيفية سلوك السائل فوراً، مع لوحة تحكم مدمجة تخبرهم بالضبط مدى قرب التنبؤ من القوانين الفيزيائية المعروفة.

أحد الجوانب الأكثر أهمية في هذا العمل هو كيفية تعامله مع رياضيات حركة السويد بالقرب من الجدران. غالباً ما تقرب الطرق التقليدية هذا السلوك، مما يؤدي إلى أخطاء صغيرة تتراكم مع الوقت. أعاد الباحث اشتقاق المعادلات لهذا السيناريو المحدد وحلها باستخدام تقنية عددية أكثر دقة، مما قلل الخطأ بمقدار عشرة أضعاف مقارنة بالطرق القديمة. لم يكن هذا التحسن نتيجة تعديل النموذج ليتناسب مع البيانات، بل كان نتيجة لحل المعادلات الأساسية بعناًية أكبر. كما حددت الدراسة وصححت ثلاثة أخطاء محددة ظهرت في الكتب المدرسية والأدبيات العلمية لسنوات، مثل قيمة لزوجة الهيليوم السائل كانت خاطئة بعامل قدره عشرة أضعاف. ومن خلال تصحيح هذه الأرقام التأسيسية، يضمن النموذج أن تنبؤاته مبنية على قاعدة صلبة وصحيحة.

تم اختبار النموذج ضد مجموعة متنوعة من الأنظمة الفيزيائية لإثبات تعدد استخداماته. فقد نجح في التنبؤ بتدفق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي الرقيق للمريخ، مطابِقاً الملاحظات من المسبارات الفضائية. وحسب سرعة جسيمات الرياح الشمسية التي تنتقل من الشمس إلى الأرض، بما يتماشى مع البيانات من المركبات الفضائية. حتى أنه نما تدفق الماء عبر قنوات مجهرية دقيقة وسلوك الهيليوم شديد البرودة، حيث تسود التأثيرات الكمومية. في كل حالة، استخدم المحاكي فقط الثوابت الأساسية للكون للوصول إلى إجاباته. إن حقيقة أن إطاراً واحداً موحداً يمكنه التعامل مع ظواهر متنوعة كهذه — من المجهري إلى الفلكي — دون تغيير منطقه الأساسي، تشير إلى أن القوانين الجبرية لديناميكا السويد أكثر عالمية ومتانة مما يتم استخداته في البرمجيات الصناعية.

يتحدى هذا العمل الاتجاه الحالي في ديناميكا السويد، الذي انتقل بقوة نحو استخدام الذكاء الاصطناत्मक لإنشاء نماذج "الصندوق الأسود". يمكن لهذه النماذج الذكية أن تكون دقيقة جداً، لكنها تتطلب كميات هائلة من البيانات للتدريب وغالباً ما تفشل عند مطالبتها بالتنبؤ بظروف لم ترها من قبل. يجادل النهج الجديد بأنه بالنسبة للعديد من المشكلات الأساسية، فإن الأداة الأفضل ليست نمطاً متعلمًا، بل تطبيقاً مباشراً للقانون الفيزيائي. ولأن النموذج لا يحتوي على أي معاملات متعلمة، فهو شفاف تماماً؛ حيث يمكن للمستخدم النظر إلى الكود ورؤية القانون الفيزيائي الذي يتم تطبيقه بالضبط. وهذا يجعله أداة قوية للتعليم وللتحقق من عمل عمليات المحاكاة الأكثر تعقيداً. فقبل أن يطلق المهندس محاكاة ضخمة ومكلفة لمزرعة رياح أو نموذج مناخي، يمكنه تشغيل هذه الأداة القائمة على المتصفح للتأكد من أن الفيزياء الأساسية يتم التعامل معها بشكل صحيح.

تتجاوز آثار هذا البحث مجرد الحصول على أرقام أفضل. فمن خلال جعل محاكي السويد عالي الدقة متاحاً مجاناً في متصفح الويب، يزيل هذا العمل حاجز الدخول أمام الباحثين والطلاب في المناطق النامية الذين قد لا يملكون القدرة على الوصول إلى تراخيص البرامج الباهظة أو مجموعات الحوسبة الفائقة. كما أنه يدعم الأهداف العالمية للطاقة النظيفة من خلال توفير أداة لتحسين مزارع الرياح، وللابتكار الصناعي من خلال السماح بالاختبار السريع للتصاميم، وللعمل المناخي من خلال تحسين دقة النماذج الجوية. لقد أتاح الباحث الكود المصدري والمحاكي الحي للجمهور، داعياً المجتمع العالمي لاستخدام الاختبار والبناء على هذا الإطار الذي لا يكلف شيئاً ولا يتطلب أي معاملات.

ومع ذلك، فإن للدراسة حدودها. فالنسخة الحالية من المحاكي تعمل في بُعدين، وهو أمر كافٍ لاختبار القوانين الأساسية ولكنه لا يمكنه التقاط التعقيد الكامل للاضطراب ثلاثي الأبعاد الموجود في العواصف أو المحركات في العالم الحقيقي. كما يركز النموذج على السويد التي لا تنضغط بشكل كبير، مما يعني أنه ليس مصمماً بعد للتدفقات عالية السرعة حيث يتصرف الهواء مثل الزنبرك. بالإضافة إلى ذلك، بينما يتفوق النموذج في السويد القياسية، فإنه لم يُختبر بعد على السويد المعقدة غير النيوتونية مثل الدم أو الطلاء، والتي يتغير سمكها تحت الضغط. ومع ذلك، يخطط الباحث لتوسيع النموذج ليشمل ثلاثة أبعاد وهذه السويد الأكثر تعقيداً في المستقبل.

في النهاية، تقدم هذه الورقة عودة إلى المبادئ الأولى في مجال أصبح يعتمد بشكل متزايد على الاختصارات القائمة على البيانات. وهي تثبت أنه من خلال إعادة تنظيم القوانين الفيزيائية المعروفة وحلها بدقة عالية، من الممكن تحقيق دقة تضاهي أو تتجاوز الطرق الصناعية الأكثر تكلفة وتعقيداً. يشير العمل إلى أن "سحر" ديناميكا السويد ليس مخفياً في مجموعات البيانات الضخمة، بل هو مكتوب بالفعل في اللغة الجبرية للكون، بانتظار أن يُقرأ بشكل صحيح. ومن خلال توفير أداة تجعل هذه القوانين متاحة وقابلة للتحقق في الوقت الفعلي، يقدم هذا البحث مساراً جديداً لفهم تدفق العالم من حولنا.