Ingenjörer från Caltech har skapat en datorsimulering av bubbelringar under vattnet som är så realistisk att det praktiskt taget inte går att skilja från en video av den äkta varan. Poängen med forskningen, dock, ligger långt bortom att skapa nästa generations datorgrafik. Istället, dess utvecklare hoppas att simuleringen kan belysa matematiken och krafterna som styr sådana fenomen.

"När vi gör dessa abstraktioner, vi vill fortfarande fånga någon grundläggande sanning om universum, säger Peter Schröder, Shaler Arthur Hanisch professor i datavetenskap och tillämpad och beräkningsmatematik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap, vars team byggde simuleringen.

Bubbelringar ses oftast i onlinevideor skapade av dykare, som blåser ut ringarna på ett sätt som liknar rökare som blåser rökringar. Schröders team simulerade två undervattensringar av luft som smälte samman och sedan bröts isär igen. De kommer att presentera sitt arbete på den internationella konferensen och utställningen om datorgrafik och interaktiva tekniker (SIGGRAPH), kommer att hållas i Los Angeles från 28 juli till 1 augusti.

Projektet började med ett försök att bättre förstå solflammor, som är enorma slingor av plasma som blåser ut från solens yta. Skapandet och tillväxten av solflammor styrs av ett antal komplexa krafter (t.ex. solens starka magnetfält) som gör det svårt att modellera och förstå dem, säger Schröder.

På grund av problemets komplexitet, Schröders team slutade med att dela upp den i mindre enskilda bitar. "Om du tittar på videor av solen och utbrotten på solens yta, du kan se dessa stora bågar av vad som kallas flusslinor, " säger Schröder. "De vrider sig och vänder sig sedan mot sig själva, och det finns våldsamma händelser där slingan går in i sig själv. Detta är lite likt när två virvelfilament - två bubbelringar - möts. Det finns en mycket våldsam reaktion där de smälter samman eller en sektion blir avklämd, med vågor som färdas längs bubbelringen."

En liknande, men en mildare version kan skapas genom att släppa bläck i vatten. Bläcket bildar en vridande munkform som sedan förgrenar sig till vad som kallas bläckljuskronor.

Solstormar, bubbelringar, och bläckkronor har alla en sak gemensamt:vridning, flytande munkliknande former som roterar runt en mittlinje. Således, att effektivt modellera ett av fenomenen bör ge partiell insikt i de andra, säger Schröder.

"Förhoppningen med vårt arbete är att ge geometriska insikter. Vi tittar alltid på sakers geometri och deras beteende – i det här fallet, vi tittar på geometrin för denna mittkurva för bubbelringens rörelse och förändringarna i dess tjocklek, " han säger.

För att mäta hur nära hans datorsimuleringar modellerar verkligheten, Schröder jämför dem sida vid sida med videor av den äkta varan. Även om han inte har alla möjliga variabler perfekta, om de två videorna är praktiskt taget omöjliga att särskilja, han gör förmodligen något rätt.

"Nu, vi har en visuell jämförelse eftersom det inte finns något sätt att säga, "Wow, du har helt rätt." Det är för komplicerat att verifiera kvantitativt, det finns för många variabler. Men när du ser visualiseringen, ögat kommer att säga, "Ja, det här är en match, "" han säger. "Jag bjuder in vem som helst att titta på det och berätta för mig om de tror att det är en match. Vi mår ganska bra av det."

Den kvalitativa – snarare än kvantitativa – analys kan verka inexakt med en matematikers standarder, men det har lett till några underbara "a-ha"-ögonblick för Schröder, när datorsimuleringen ser så realistisk ut att han kan vara säker på att den matematik han använde för att bygga den är den som styr verkliga fenomen.

"Det som driver mig är att hitta dessa vackra beskrivningar av något som ser fruktansvärt komplicerat ut men som kan reduceras till några matematiska nyckelbegrepp. Sedan följer resten bara därifrån. Det är skönt i att se att en väldigt enkel princip helt plötsligt ger upphov till det komplexa utseendet vi uppfattar, " säger Schröder.