De beregninger, som forskerne ønskede at udføre, var så komplekse, at selv supercomputere ikke kunne gøre det.
Hvordan fungerer kvanteverdenen?
Beregn bevægelsen af en billardkuglerelativt enkelt. Men at forudsige banerne for en million gaspartikler i et fartøj, som konstant kolliderer, bremser og afbøjer, er meget vanskeligere. Hvis det ikke er klart, præcis hvilken hastighed hver partikel bevæger sig med, så har de et uendeligt antal mulige muligheder på et givet tidspunkt. Kun sandsynlighed betyder noget.
En lignende situation eksisterer i kvanteverdenen:Kvantemekaniske partikler kan samtidig besidde alle potentielt mulige egenskaber. Dette gør tilstandsrummet for kvantemekaniske systemer utroligt stort. For at modellere kvantepartiklernes interaktion med hinanden er det nødvendigt at tage højde for alle deres varianttilstande. Og det er utroligt svært.
Pointen er, at computerkravenestige eksponentielt med antallet af partikler. Hvis du tager mere end 40 partikler, så vil selv de hurtigste supercomputere ikke kunne klare dem. Dette er en af de største udfordringer i kvantefysikken.
Hvordan forenkles opgaven?
I den nye undersøgelse brugte forskernemetoder fra området maskinlæring - kunstige neurale netværk. Med deres hjælp er det muligt at omformulere den kvantemekaniske tilstand, så den kan styres af computere.
Kunstig intelligens digital transformationskoncept. Foto: rawpixel.com
Ved hjælp af denne metode undersøgte fysikere vigtigeen teoretisk forudsigelse, der hidtil har været uklar, er kvante-Kibble-Zurek-mekanismen. Den beskriver fysiske systemers dynamiske adfærd under den såkaldte kvantefaseovergang. Et simpelt eksempel på en faseændring er, når vand bliver til is. Et andet eksempel er afmagnetiseringen af en magnet ved høje temperaturer.
Men hvis du gør det modsatte og omvendt,og afkøle materialet, vil magneten igen begynde at "arbejde" under en vis kritisk temperatur. Dette sker dog ujævnt i hele materialet. I stedet skabes mange små magneter samtidigt med deres nord- og sydpoler justeret forskelligt. Som et resultat er den resulterende magnet faktisk en mosaik af mange forskellige mindre magneter. Derudover vil den være defekt.
Tidligere, i en anden undersøgelse, bekræftede videnskabsmændKibble-Zurek-skalering til defektdannelse i et nematisk flydende krystalsystem. Der blev overgangen fra en homogen tilstand til en defekt tilstand opnået ved hjælp af et elektrisk felt. Skalaindekset α=1/2 blev opnået for forskellige materialer og afhænger ikke af temperaturen.
Kilde: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Kibble Mechanism-Zurek er opkaldt efterTom V. B. Kibble, som var en pioner inden for studiet af domænestrukturdannelse i det tidlige univers, og Wojciech H. Zurek, som relaterede antallet af defekter skabt til de kritiske parametre for overgangen og dens hastighed.
Kibble-Zurek-mekanismen forudsiger hvor megetaf disse defekter må forventes. Kort sagt, hvor mange minimagneter vil materialet i sidste ende bestå af? Det er bemærkelsesværdigt, at antallet af disse defekter er universelt og derfor ikke afhænger af mikroskopiske detaljer. Det betyder, at mange forskellige materialer opfører sig på nøjagtig samme måde, selvom deres mikroskopiske sammensætning er helt anderledes.
Kibble-Zurek-mekanismen og dannelsen af galakser efter Big Bang
I første omgang blev Kibble-Zurek-mekanismen introduceretat forklare dannelsen af struktur i universet. Efter Big Bang var det i starten fuldstændig homogent, hvilket betyder, at alt indholdsstof blev fordelt jævnt. I lang tid var det uklart, hvordan galakser, stjerner eller planeter kunne dannes fra en sådan homogen tilstand.
I denne sammenhæng Kibble-Zurek mekanismenhjælper dig med at forstå, hvad der skete. Efterhånden som universet afkølede, udviklede defekter sig som magneter. Og hvis disse processer i den makroskopiske verden er godt undersøgt, er der én type faseovergange, som det endnu ikke har været muligt at teste den på. Vi taler specifikt om kvantefaseovergange.
Universudvidelse, 3D-gengivelse. Foto: angel_nt
Problemet er, at de kun eksisterer nårabsolut nultemperatur: −273 °C. Det betyder, at faseovergangen ikke sker under afkøling, men på grund af en ændring i interaktionsenergien. For eksempel når trykket ændrer sig.”
Hvad har forskerne gjort?
I en ny undersøgelse modellerede forskeresådan en kvantefaseovergang på en supercomputer (ved hjælp af kunstige neurale netværk). Således viste de for første gang, at Kibble-Zurek-mekanismen, som forklarer universets fødsel, også er anvendelig i kvanteverdenen. Som undersøgelsesforfatterne bemærker, var denne konstatering "ikke indlysende." Det krævede en stor indsats at bevise dem. Den nye forskning vil give fysikere mulighed for bedre at beskrive dynamikken i mange partiklers kvantemekaniske systemer. Og derfor for mere præcist at forstå reglerne, der styrer denne eksotiske verden.
Læs mere:
Et monster sort hul blev fundet i "baghaven" af Jorden: det er meget tæt på vores planet
NASA afslørede oprindelsen af Haumea - den mest mystiske planet i solsystemet
Webb fotograferede skabelsens søjler. Sammenlign hvordan Hubble skød dem før
På forsiden: NASAs Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab