Величайшие математические задачи - Йен Стюарт

Чем мельче ячейки расчетной сетки и короче промежутки времени, тем точнее становится аппроксимация. Однако и вычислительный процесс при этом занимает больше времени. Так что приходится искать компромисс между точностью и скоростью. В широком смысле можно сказать, что приближенный ответ, полученный при помощи компьютера, скорее всего, окажется приемлемым, если в потоке нет значимых черт меньших по размеру, чем размер ячейки расчетной сетки. Существует два типа потока — ламинарный и турбулентный. В ламинарном потоке движение идет плавно, а слои жидкости скользят один относительно другого свободно, без трения. Здесь сетки с некрупными ячейками должно быть достаточно. Турбулентный поток — бурный и пенистый, и токи жидкости в нем перемешиваются чрезвычайно сложным образом. В подобных обстоятельствах дискретная сетка, какой бы частой она ни была, может не решить проблему.

Одна из особенностей турбулентного потока — присутствие вихрей, похожих на крохотные водовороты. Стандартное изображение турбулентности представляет собой каскад все более мелких вихрей. Большая часть деталей в таком потоке меньше по размеру, чем ячейка любой реальной сетки. Чтобы обойти эту сложность, инженеры в практических вопросах, касающихся турбулентных потоков, часто прибегают к статистическим моделям. Еще одна проблема заключается в том, что физическая модель жидкости может оказаться непригодной к рассмотрению турбулентных потоков, потому что вихри могут уменьшаться до атомных размеров. Однако сравнение численных расчетов и экспериментальных данных показывает, что уравнение Навье — Стокса — это очень реалистичная и точная модель. Она настолько хороша, что сегодня во многих инженерных приложениях целиком полагаются на вычислительную гидрогазодинамику: по сравнению с дорогими натурными экспериментами в аэродинамических трубах с использованием масштабных моделей компьютерные расчеты очень дешевы. Однако в вопросах, от которых зависит безопасность людей (к примеру, при проектировании самолетов), подобные экспериментальные проверки проводятся до сих пор.

Уравнения Навье — Стокса настолько точны, что приложимы, судя по всему, даже там, где с точки зрения физики вполне могли бы отказывать: в турбулентном потоке. По крайней мере так дело обстоит в случае, если уравнение может быть решено с достаточной точностью. Главная проблема здесь имеет практический характер: когда поток становится турбулентным, численные методы решения уравнения начинают поглощать громадное количество компьютерного времени. Кроме того, мельчайшие структуры всегда ускользают от «внимания» компьютера.

Математики очень не любят, когда информация о задаче, которой они располагают, основывается на каком бы то ни было приближении. Задача тысячелетия, связанная с уравнением Навье — Стокса, призвана решить один из ключевых теоретических вопросов. Если бы удалось найти ответ на него, интуитивное представление о том, что численные методы здесь прекрасно работают, получило бы мощнейшее подкрепление. Существует тонкая разница между приближениями, которые использует компьютер (он вносит в уравнение крохотные изменения), и точностью ответа (здесь речь идет о крохотных изменениях в решении). Можно ли сказать, что точный ответ на приближенно поставленный вопрос — то же самое, что приближенный ответ на точно поставленный вопрос? Иногда ответ бывает «нет». Точные данные о потоке жидкости с очень низкой вязкостью, к примеру, часто не совпадают с приближенными данными о потоке жидкости с нулевой вязкостью.

Есть один шаг к осмыслению подобных проблем, который настолько очевиден и прост, что его легко можно проглядеть: речь идет о доказательстве того факта, что точное решение существует. Ведь согласитесь, должно существовать нечто, аппроксимацией чего являются компьютерные расчеты. Именно этим объясняется включение уравнения Навье — Стокса в число задач тысячелетия. Его официальное описание на сайте Института Клэя состоит из четырех отдельных задач. Решения любой из них будет достаточно для получения приза. Во всех четырех задачах жидкость считается несжимаемой. Вот эти задачи:

1. Существование и гладкость решений в трех измерениях. Здесь предполагается, что жидкость занимает бесконечное пространство целиком. При заданном первоначальном гладком поле скорости требуется доказать, что для любого положительного момента времени существует гладкое решение уравнения, совпадающее с заданным первоначальным полем.

2. Существование и гладкость решений на трехмерном плоском торе. Тот же вопрос, но теперь в предположении, что пространство представляет собой плоский тор — прямоугольник с отождествленными противоположными сторонами. В этой версии обходятся потенциальные проблемы, связанные с бесконечным пространством, о котором шла речь в первой версии; это пространство не соответствует реальности и может вызвать неправильное поведение системы по причинам, не имеющим непосредственного отношения к задаче.

3. Опровержение существования решений в трех измерениях. Опровергнуть пункт 1. Иными словами, найти начальное поле, для которого не существует гладкого решения в любой положительный момент времени, и доказать это утверждение.

4. Опровержение существования решений на трехмерном плоском торе. Доказать, что пункт 2 неверен.

Те же вопросы остаются открытыми и для уравнения Эйлера, которое, в сущности, эквивалентно уравнению Навье — Стокса, но не учитывает вязкости. За ответы на вопросы по уравнению Эйлера, однако, никто никаких призов не обещает.

Серьезная сложность здесь заключается в том, что рассматриваемый поток трехмерен. Существует аналогичное уравнение для жидкости, текущей по плоскости. Физически это может быть либо тонкий слой жидкости между двумя пластинами (считается, что они не вызывают трения), либо такой характер потока в трех измерениях, при котором жидкость движется совершенно идентичным образом вдоль системы параллельных плоскостей. В 1969 г. русский математик Ольга Ладыженская доказала, что для двумерного уравнения Навье — Стокса и двумерного уравнения Эйлера пункты 1 и 2 верны, а 3 и 4 — ложны.

Может показаться удивительным, но для уравнения Эйлера доказательство сложнее, чем для уравнения Навье — Стокса, хотя само уравнение проще, поскольку в нем не учитывается вязкость. Причина, надо сказать, весьма поучительная. Вязкость «снимает» вероятность того, что решение может привести к возникновению сингулярности, а та, в свою очередь, не позволит решению существовать в каждый момент времени. Если условие вязкости отсутствует, этого не происходит, что сказывается на математических характеристиках доказательства существования.

Ладыженская внесла еще одно важное дополнение в наши представления об уравнении Навье — Стокса, доказав не только, что решения существуют, но и что определенные вычислительные гидрогазодинамические модели аппроксимируют их с любой нужной нам точностью.

Задачи на приз тысячелетия относятся к несжимаемому потоку, поскольку хорошо известно, что сжимаемые потоки ведут себя отвратительно. В уравнениях движения самолета, к примеру, возникает множество проблем, если самолет движется в потоке воздуха быстрее звука. Это знаменитый «звуковой барьер», очень беспокоивший в свое время инженеров, которые работали над проектами сверхзвуковых истребителей. Эта проблема связана с хорошей сжимаемостью воздуха. Если тело движется сквозь несжимаемую жидкость, оно расталкивает частицы этой жидкости в стороны со своего пути, как если бы это были шарики. Если частицы накапливаются, они замедляют тело. Но в сжимаемой жидкости, где существует предел скорости движения волн (а именно скорость звука), этого не происходит. На сверхзвуковых скоростях, вместо того чтобы расходиться в стороны, воздух скапливается перед самолетом, и его плотность там растет беспредельно. Результат — ударная волна. Математически это нарушение непрерывности давления воздуха, которое резко меняет значение на фронте ударной волны. Физически это звуковой удар: громкий хлопок. Ударная волна, если ее не учитывают, может повредить самолет, так что конструкторы волновались не зря. Однако скорость звука — не непреодолимый барьер, а всего лишь препятствие. Ее существование говорит о том, что уравнение Навье — Стокса для сжимаемой жидкости не обязательно имеет гладкие решения на всем диапазоне времен даже в двух измерениях. Так что в этом случае ответ известен заранее, и он отрицателен.