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O pesquisador desenvolve uma nova ferramenta para entender problemas computacionais difíceis e aparentemente intratáveis
Em alguns casos, o diâmetro de cada pico será muito menor do que as distâncias entre os diferentes picos. Assim, se alguém escolhesse quaisquer dois pontos nesta vasta paisagem – isto é, duas “soluções” possíveis – eles estariam muito próximos (se viessem do mesmo pico) ou muito distantes (se retirados de picos diferentes). . Em outras palavras, haverá uma “lacuna” reveladora nessas distâncias – pequena ou grande, mas nada no meio. Crédito: David Jamarnik et al.
A ideia de que alguns problemas computacionais em matemática e ciência da computação podem ser difíceis não deve ser uma surpresa. Existe, de fato, toda uma classe de problemas para os quais se considera impossível resolver matematicamente. Abaixo desta categoria estão alguns problemas “mais fáceis” que não são bem compreendidos – e também podem ser impossíveis.
David Jamarnik, Professor de Pesquisa Operacional da MIT Sloan School of Management e do Institute for Data, Systems, and Society, concentra sua atenção na última categoria de problemas menos estudados, que são mais relevantes para o mundo cotidiano porque envolvem Aleatória—Uma característica integral dos sistemas naturais. Ele e seus colegas desenvolveram uma ferramenta poderosa para analisar esses problemas chamada de propriedade da lacuna sobreposta (ou OGP). Gamarnik descreveu a nova metodologia em um trabalho de pesquisa recente em Anais da Academia Nacional de Ciências.
P NP
Cinquenta anos atrás, o problema mais famoso da ciência da computação teórica foi formulado. P ≠ NP pergunta se existem problemas envolvendo grandes conjuntos de dados cuja resposta pode ser verificada de forma relativamente rápida, mas que – mesmo trabalhando nos computadores mais rápidos disponíveis – levaria um tempo absurdamente longo para ser resolvido.
A conjectura P ≠ NP ainda não foi comprovada, mas a maioria dos cientistas da computação acredita que muitos problemas familiares – incluindo, por exemplo, o problema do caixeiro viajante – se enquadram nessa categoria incrivelmente difícil. O desafio no exemplo do vendedor é encontrar a rota mais curta, em termos de distância ou tempo, através de N cidades diferentes. A tarefa é facilmente gerenciada quando N = 4, pois existem apenas seis caminhos possíveis a serem considerados. Mas em 30 cidades, há mais de 1030 maneiras possíveis, e os números aumentam exponencialmente a partir daí. A maior dificuldade está em projetar um arquivo algoritmo Ele resolve o problema rapidamente em todos os casos, para todos os valores inteiros de N., os cientistas da computação estão confiantes, com base na teoria da complexidade computacional, que não existe tal algoritmo, confirmando que P ≠ NP.
Há muitos outros exemplos de tais problemas intratáveis. Suponha, por exemplo, que você tenha uma tabela de números enorme com milhares de linhas e milhares de colunas. Você consegue encontrar, de todas as combinações possíveis, o arranjo exato de dez linhas e 10 colunas de modo que suas cem entradas tenham a maior soma possível? “Nós as chamamos de tarefas de otimização, porque você está sempre tentando encontrar o maior ou o melhor – a maior soma de números, a melhor rota pelas cidades etc.”, diz Jamarnik.
Os cientistas da computação há muito perceberam que não é possível criar um algoritmo rápido que possa, em todos os casos, resolver problemas com a mesma eficiência da saga do caixeiro-viajante. “É provável que tal coisa seja impossível por razões bem compreendidas”, observa Jamarnik. “Mas na vida real, a natureza não gera problemas de uma perspectiva hostil. Ela não tenta frustrá-lo com um problema bem selecionado e mais desafiador concebível.” Na verdade, as pessoas geralmente encontram problemas em circunstâncias mais aleatórias e menos gerenciadas, e esses são os problemas que a Parceria de Governo Aberto visa resolver.
Picos e vales
Para entender do que se trata a Parceria de Governo Aberto, pode ser útil ver primeiro como a ideia se originou. Desde a década de 1970, os físicos estudam o vidro de spin – materiais que possuem propriedades de líquidos e sólidos que apresentam comportamentos magnéticos incomuns. A pesquisa em vidros de spin deu origem a uma teoria geral de sistemas complexos relacionados a problemas em física, matemática, ciência da computação, ciência dos materiais e outros campos. (Este trabalho rendeu a Giorgio Baresi o Prêmio Nobel de Física de 2021.)
Uma questão confusa que os físicos enfrentaram é tentar prever o estado de energia, particularmente as configurações de energia mais baixas, de diferentes estruturas de vidro giratório. A situação às vezes é retratada em uma “paisagem” de inúmeros picos de montanhas separados por vales, onde o objetivo é localizar o pico mais alto. Nesse caso, o pico mais alto na verdade representa o estado de energia mais baixo (embora se possa inverter a imagem e procurar o buraco mais profundo). Isso acaba sendo um problema de otimização semelhante em forma ao dilema do caixeiro-viajante, Jamarnik explica: “Você tem esse enorme conjunto de montanhas, e parece que a única maneira de encontrar mais alto é escalando cada uma delas” – uma tarefa absurda semelhante para encontrar uma agulha no palheiro.
Os físicos mostraram que você pode simplificar essa imagem e dar um passo em direção a uma solução, cortando montanhas a uma certa altura predeterminada e ignorando tudo abaixo desse nível de corte. Você então deixará um grupo de picos proeminentes acima de uma camada uniforme de nuvens, com cada ponto desses picos representando uma solução potencial para o problema original.
Em um trabalho de pesquisa de 2014, Jamarnik e colegas observam algo anteriormente esquecido. Eles perceberam em alguns casos que o diâmetro de cada pico seria muito menor do que as distâncias entre os diferentes picos. Assim, se alguém escolhesse quaisquer dois pontos nesta vasta paisagem – isto é, duas “soluções” possíveis – eles estariam muito próximos (se viessem do mesmo pico) ou muito distantes (se retirados de picos diferentes). . Em outras palavras, haverá uma “lacuna” reveladora nessas distâncias – pequena ou grande, mas nada no meio. Jamarnik e colegas sugeriram que o sistema neste caso é caracterizado pela OGP.
“Descobrimos que todos os problemas conhecidos de natureza aleatória computacionalmente difícil têm uma versão dessa propriedade” – ou seja, o diâmetro da montanha no modelo esquemático é muito menor que a distância entre as montanhas, afirma Jamarnik. “Isso fornece uma medida mais precisa da robustez do algoritmo.”
Desvendando os segredos da complexidade do algoritmo
O advento do OGP pode ajudar os pesquisadores a avaliar a dificuldade de criar algoritmos rápidos para resolver problemas específicos. Já lhes permitiu “matematicamente [and] Ele descartou fortemente uma grande classe de algoritmos como potenciais concorrentes”, diz Jamarnik. Aprendemos, especificamente, que algoritmos estáveis - aqueles cuja saída não mudará muito se a entrada mudar um pouco – não resolverão esse tipo de problema de otimização. “Esse resultado negativo se aplica não apenas aos computadores clássicos, mas também aos computadores quânticos e, especificamente, aos chamados “algoritmos de otimização de aproximação quântica” (QAOAs), que alguns pesquisadores esperavam que resolvessem os mesmos problemas de otimização. Agora, dados os resultados de Jamarnik e De acordo com as descobertas dos coautores, essas esperanças são temperadas pelo reconhecimento de que muitas camadas de operações serão necessárias para que os algoritmos do tipo QAOA sejam bem-sucedidos, o que pode ser tecnicamente desafiador.
“Se isso é uma boa ou má notícia depende do seu ponto de vista”, diz ele. “Acho que é uma boa notícia no sentido de que nos ajuda a desvendar os segredos da complexidade algorítmica e aumenta nosso conhecimento sobre o que está no reino da probabilidade e o que não está. É uma má notícia no sentido de que nos diz que esses problemas são difícil, mesmo que a natureza os produza, e mesmo que sejam gerados aleatoriamente”. Ele acrescenta que a notícia não é realmente surpreendente. “Muitos de nós esperávamos isso o tempo todo, mas agora temos uma base muito mais sólida para fazer essa afirmação.”
Isso ainda deixa os pesquisadores a anos-luz de conseguir provar que não existem algoritmos rápidos que possam resolver esses problemas de otimização em configurações aleatórias. Ter tal evidência forneceria uma resposta definitiva para o problema P NP. Ele diz: “Se pudermos provar que não podemos ter um algoritmo que funcione na maior parte do tempo, isso nos diz que definitivamente não podemos ter um algoritmo que funcione o tempo todo”.
Prever quanto tempo levará até que o problema P NP seja resolvido parece ser um problema intratável em si. Provavelmente haverá muitos picos para escalar e vales para atravessar, antes que os pesquisadores obtenham uma perspectiva mais clara da situação.
David Jamarnik, The Nested Gap Property: A Topological Barrier to Optimization Over Stochastic Structures, Anais da Academia Nacional de Ciências (2021). DOI: 10.1073/pnas.2108492118
Introdução de
Instituto de Tecnologia de Massachusetts
a citação: pesquisador desenvolve nova ferramenta para entender problemas computacionais difíceis e aparentemente intratáveis (2022, 10 de janeiro) Recuperado em 11 de janeiro de 2022 de https://phys.org/news/2022-01-tool-hard-problems-intractable.html
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Um caso confirmado do vírus Powassan foi relatado em Sharon, Massachusetts, pela primeira vez, e as autoridades estão alertando os residentes para tomarem precauções contra a doença transmitida por carrapatos. O vírus Powassan, como o Lyme, é transmitido por carrapatos infectados. Embora o número de casos notificados de pessoas infectadas com o vírus Powassan continue raro, aumentou nos últimos anos, de acordo com o Departamento de Saúde de Sharon. “Aqueles com quem me importo, pelo menos, saíram do outro lado. Não há cura real disponível, então isso segue seu curso”, disse a Dra. Alice Worsel, do Tufts Medical Center. Os sintomas geralmente começam entre uma semana. e um mês após a picada de um carrapato infectado Os sinais e sintomas incluem febre, dor de cabeça, vômito, fraqueza, confusão, perda de coordenação, dificuldades de fala e convulsões. , ou meningite, uma inflamação das membranas que envolvem o cérebro e a medula espinhal que pode ser fatal Depois de sair de casa, os médicos recomendam verificar se há carrapatos – em seu corpo, em seus filhos e em seus animais de estimação.
Um caso confirmado do vírus Powassan foi relatado em Sharon, Massachusetts, pela primeira vez, e as autoridades estão alertando os residentes para tomarem precauções contra a doença transmitida por carrapatos.
Vírus PowassanAssim como a doença de Lyme, é transmitida por carrapatos infectados. Embora o número de casos notificados de pessoas infectadas com o vírus Powassan continue raro, aumentou nos últimos anos, de acordo com o Departamento de Saúde de Sharon.
“Aqueles com quem eu me importava, pelo menos, saíram do outro lado. Não há cura real disponível, então isso segue seu curso”, disse a Dra. Alice Worsel, do Tufts Medical Center.
Os sintomas da doença geralmente começam uma semana a um mês após a picada de um carrapato infectado.
Os sinais e sintomas incluem febre, dor de cabeça, vômitos, fraqueza, confusão, perda de coordenação, dificuldades de fala e convulsões.
O vírus pode causar encefalite, um inchaço fatal do cérebro, ou meningite, uma inflamação das membranas que envolvem o cérebro e a medula espinhal que pode ser fatal.
Depois de sair de casa, os médicos recomendam verificar se há carrapatos – em seu corpo, em seus filhos e em seus animais de estimação.
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A evidência indiscutível mais antiga do campo magnético da Terra foi descoberta na Groenlândia
Um exemplo de formações ferríferas em faixas de 3,7 bilhões de anos encontradas na parte nordeste do cinturão supracrustal de Isua. Crédito: Claire Nicholls
Estudo colaborativo de Universidade de Oxford E Instituto de Tecnologia de Massachusetts A NASA revelou um registo do campo magnético da Gronelândia com 3,7 mil milhões de anos, mostrando que o antigo campo magnético da Terra era tão forte como é hoje, o que é crucial para proteger a vida, protegendo-a da radiação cósmica e solar.
Um novo estudo recuperou um registo do campo magnético da Terra com 3,7 mil milhões de anos, descobrindo que este se parece notavelmente semelhante ao campo que rodeia a Terra hoje. Os resultados foram publicados hoje (24 de abril) na revista Jornal de pesquisa geofísica.
Sem o campo magnético, a vida na Terra não seria possível, pois este nos protege da radiação cósmica prejudicial e das partículas carregadas emitidas pelo Sol (“vento solar”). Mas até agora, não há uma data confiável sobre quando o campo magnético moderno surgiu pela primeira vez.
Amostras foram extraídas ao longo dos transectos para comparar a diferença entre intrusões vulcânicas que datam de 3,5 bilhões de anos e as rochas circundantes que os pesquisadores mostraram conter um registro do campo magnético de 3,7 bilhões de anos. Crédito: Claire Nicholls
Exame de rochas antigas
No novo estudo, os pesquisadores examinaram uma antiga sequência de rochas contendo ferro de Isua, na Groenlândia. As partículas de ferro atuam efetivamente como pequenos ímãs que podem registrar a força e a direção do campo magnético à medida que o processo de cristalização as mantém no lugar. Os investigadores descobriram que as rochas que datam de 3,7 mil milhões de anos atrás tinham uma intensidade de campo magnético de pelo menos 15 microtesla, em comparação com o campo magnético moderno (30 microtesla).
Estes resultados fornecem a estimativa mais antiga da força do campo magnético da Terra derivada de amostras de rochas inteiras, o que fornece uma avaliação mais precisa e confiável do que estudos anteriores que usaram cristais individuais.
A co-autora do estudo, Athena Easter, está em frente a uma grande área da Banded Iron Formation, o depósito rico em ferro do qual foram extraídos antigos sinais de campo magnético. Crédito: Claire Nicholls
Insights do estudo
A pesquisadora principal, Professora Claire Nicholls (Departamento de Ciências da Terra, Universidade de Oxford), disse: “Extrair registros confiáveis de rochas desta idade é extremamente difícil, e foi realmente emocionante ver os sinais magnéticos iniciais começando a surgir quando analisamos essas amostras em o laboratório.” . Este é um passo realmente importante à medida que tentamos determinar o papel do antigo campo magnético quando a vida apareceu pela primeira vez na Terra.
Embora a força do campo magnético pareça ter permanecido relativamente constante, sabe-se que o vento solar foi muito mais forte no passado. Isto sugere que a proteção da superfície da Terra contra os ventos solares aumentou ao longo do tempo, o que pode ter permitido que a vida se deslocasse para os continentes e saísse da proteção dos oceanos.
O campo magnético da Terra é criado pela mistura de ferro fundido no núcleo externo do líquido, impulsionado por forças de empuxo enquanto o núcleo interno se solidifica, criando um dínamo. Durante a formação inicial da Terra, o núcleo interno sólido ainda não havia se formado, deixando questões em aberto sobre como o campo magnético inicial foi mantido. Estas novas descobertas sugerem que o mecanismo que impulsionava o dínamo inicial da Terra era igualmente eficiente ao processo de solidificação que gera hoje o campo magnético da Terra.
Compreender como a força do campo magnético da Terra muda ao longo do tempo também é fundamental para determinar quando o núcleo interno sólido da Terra começou a se formar. Isto nos ajudará a entender a rapidez com que o calor escapa do interior profundo da Terra, o que é fundamental para a compreensão de processos como as placas tectônicas.
Efeitos geológicos e meteorológicos
Um dos grandes desafios na reconstrução do campo magnético da Terra até agora é que qualquer evento que provoque o aquecimento das rochas pode alterar os sinais preservados. As rochas na crosta terrestre geralmente têm uma história geológica longa e complexa que apaga informações anteriores do campo magnético. No entanto, o cinturão supracrustal de Isoa tem uma geologia única, pois fica no topo da espessa crosta continental que o protege da atividade tectônica generalizada e da deformação. Isto permitiu aos investigadores construir um conjunto claro de evidências que apoiam a existência de um campo magnético há 3,7 mil milhões de anos.
Os resultados também podem fornecer novos insights sobre o papel do nosso campo magnético na formação da evolução da atmosfera da Terra como a conhecemos, especialmente no que diz respeito ao vazamento de gases da atmosfera. Um fenómeno actualmente inexplicável é a perda de gás xénon que não reagiu da nossa atmosfera há mais de 2,5 mil milhões de anos. O xénon é relativamente pesado e, portanto, é pouco provável que tenha simplesmente saído da nossa atmosfera. Recentemente, os cientistas começaram a investigar a possibilidade de remover partículas carregadas de xenônio da atmosfera por meio de um campo magnético.
No futuro, os investigadores esperam expandir o nosso conhecimento do campo magnético da Terra antes do aparecimento do oxigénio na atmosfera terrestre há cerca de 2,5 mil milhões de anos, examinando outras sequências de rochas antigas no Canadá, Austrália e África do Sul. Uma melhor compreensão da antiga força e variabilidade do campo magnético da Terra nos ajudará a determinar se os campos magnéticos planetários são necessários para hospedar vida na superfície do planeta e o seu papel na evolução da atmosfera.
Referência: “Prováveis Registros Eoarqueanos do Campo Geomagnético Preservados no Cinturão Supracrustal de Isua, Sudoeste da Groenlândia” por Clare I. O. Nicholls, Benjamin B. Weiss, Athena Easter, Craig R. Martin, Adam C. Maloof, Nigel M. Kelly, Mike J. Zawaski, Stephen J. Mojzis, E. Bruce Watson e Daniele J. Czerniak, 24 de abril de 2024, Jornal de Pesquisa Geofísica: Terra Sólida.
doi: 10.1029/2023JB027706
“Analista. Adorável leitor ávido de bacon. Empreendedor. Escritor dedicado. Ninja do vinho premiado. Um leitor sutilmente cativante.”
As velas solares são uma forma misteriosa e majestosa de viajar pelo golfo do espaço. Comparado aos navios à vela do passado, é uma das formas mais eficientes de impulsionar veículos no espaço.
Um foguete RocketLab Electron lançou na terça-feira o novo sistema avançado de vela solar composta da NASA. O objetivo é testar a implantação de grandes velas solares na órbita baixa da Terra, e a NASA confirmou na quarta-feira que implantou com sucesso uma vela de 9 metros.
Em 1886 o automóvel foi inventado. Em 1903, os humanos fizeram o primeiro voo motorizado. Apenas 58 anos depois, os humanos fizeram a sua primeira viagem ao espaço num foguetão. A tecnologia dos foguetes mudou dramaticamente ao longo dos séculos, sim, séculos.
O desenvolvimento do míssil começou no século 13, quando os chineses e os mongóis dispararam flechas de mísseis uns contra os outros. As coisas evoluíram um pouco desde então, e agora temos combustíveis sólidos e líquidos para foguetes, motores iônicos e velas solares com mais tecnologia nas asas.
As velas solares são especialmente importantes porque aproveitam a energia do sol, ou da luz das estrelas, para impulsionar sondas através do espaço. A ideia não é nova: Johannes Kepler (famoso pelo movimento planetário) propôs pela primeira vez que a luz solar poderia ser usada para impulsionar naves espaciais no século XVII em seu trabalho intitulado “Somnium”.
Tivemos que esperar até o século XX para que o cientista russo Konstantin Tsiolkovsky demonstrasse o princípio de como as velas solares realmente funcionam.
Carl Sagan e outros membros da Sociedade Planetária começaram a propor missões utilizando velas solares nas décadas de 1970 e 1980, mas foi só em 2010 que vimos o primeiro veículo prático de vela solar, o IKAROS.
O conceito de velas solares é muito fácil de entender e baseia-se na pressão da luz solar. As velas são inclinadas para que os fótons atinjam e saltem da vela reflexiva para empurrar a espaçonave para frente.
É claro que são necessários muitos fótons para acelerar uma espaçonave usando luz, mas lentamente, com o tempo, torna-se um sistema de propulsão muito eficiente que não requer motores pesados ou tanques de combustível.
Esta redução na massa tornou mais fácil a aceleração das velas solares pela luz solar, mas os tamanhos das velas eram limitados pelos materiais e pela estrutura das retrancas que as sustentavam.
A NASA está trabalhando para resolver o problema com sua tecnologia Solar Sail Boom de próxima geração. Seu avançado sistema de vela solar composta usa um CubeSat projetado pela NanoAvionics para testar a nova estrutura de suporte de lança composta.
Bem-vindo ao orbitador NEONSAT-1 e ao Advanced Composite Solar Sail System da NASA 🌎
Sucesso da nossa 47ª missão de lançamento do Electron 🚀
Obrigado aos nossos parceiros de missão @NASA @NASAAmes E @kaistpr. Temos orgulho de oferecer a você acesso confiável e personalizado ao espaço! pic.twitter.com/2x1nXeVHeU
– Laboratório de Foguetes (@RocketLab) 24 de abril de 2024
Na quarta-feira, 24 de abril, a NASA confirmou que o satélite CubeSat atingiu a órbita baixa da Terra e implantou uma vela de 9 metros. Eles agora estão operando a sonda e concluindo um contrato terrestre. Demorou cerca de 25 minutos para desdobrar a vela de 80 metros quadrados.
Se as condições forem adequadas, poderá ser visível da Terra, talvez rivalizando com Sirius em brilho.
Este artigo foi publicado originalmente por O universo hoje. Leia o Artigo original.
“Analista. Adorável leitor ávido de bacon. Empreendedor. Escritor dedicado. Ninja do vinho premiado. Um leitor sutilmente cativante.”
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