Οι υπολογισμοί που ήθελαν να πραγματοποιήσουν οι επιστήμονες ήταν τόσο περίπλοκοι που ακόμη και οι υπερυπολογιστές δεν μπορούσαν να το κάνουν.
Πώς λειτουργεί ο κβαντικός κόσμος;
Υπολογίστε την κίνηση μιας μπάλας του μπιλιάρδουσχετικά απλό. Αλλά η πρόβλεψη των τροχιών ενός εκατομμυρίου σωματιδίων αερίου σε ένα σκάφος, τα οποία συνεχώς συγκρούονται, φρενάρουν και εκτρέπονται, είναι πολύ πιο δύσκολη. Εάν δεν είναι ξεκάθαρο με ποια ακριβώς ταχύτητα κινείται κάθε σωματίδιο, τότε έχουν άπειρο αριθμό πιθανών επιλογών σε κάθε δεδομένη χρονική στιγμή. Σημασία έχει μόνο η πιθανότητα.
Μια παρόμοια κατάσταση υπάρχει στον κβαντικό κόσμο:Τα κβαντομηχανικά σωματίδια μπορούν να έχουν ταυτόχρονα όλες τις πιθανές ιδιότητες. Αυτό κάνει τον χώρο κατάστασης των κβαντομηχανικών συστημάτων απίστευτα μεγάλο. Για να μοντελοποιήσουμε την αλληλεπίδραση των κβαντικών σωματιδίων μεταξύ τους, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη όλες οι παραλλαγές τους καταστάσεις. Και είναι απίστευτα δύσκολο.
Το θέμα είναι ότι οι υπολογιστικές απαιτήσειςαυξάνεται εκθετικά με τον αριθμό των σωματιδίων. Εάν πάρετε περισσότερα από 40 σωματίδια, τότε ακόμη και οι πιο γρήγοροι υπερυπολογιστές δεν θα μπορέσουν να τα αντιμετωπίσουν. Αυτή είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της κβαντικής φυσικής.
Πώς να απλοποιήσετε την εργασία;
Στη νέα μελέτη, οι επιστήμονες χρησιμοποίησανμεθόδους από τον τομέα της μηχανικής μάθησης - τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Με τη βοήθειά τους, είναι δυνατό να αναδιατυπωθεί η κβαντομηχανική κατάσταση, καθιστώντας την ελεγχόμενη από υπολογιστές.
Έννοια ψηφιακού μετασχηματισμού τεχνητής νοημοσύνης. Φωτογραφία: rawpixel.com
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι φυσικοί διερεύνησαν σημαντικάΜια θεωρητική πρόβλεψη που μέχρι στιγμής έχει παραμείνει ασαφής είναι ο κβαντικός μηχανισμός Kibble-Zurek. Περιγράφει τη δυναμική συμπεριφορά των φυσικών συστημάτων κατά τη λεγόμενη κβαντική μετάβαση φάσης. Ένα απλό παράδειγμα αλλαγής φάσης είναι όταν το νερό μετατρέπεται σε πάγο. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η απομαγνήτιση ενός μαγνήτη σε υψηλές θερμοκρασίες.
Αλλά αν κάνετε το αντίθετο και το αντίστροφο,και ψύχοντας το υλικό, ο μαγνήτης θα αρχίσει και πάλι να «λειτουργεί» κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία. Ωστόσο, αυτό συμβαίνει άνισα σε όλο το υλικό. Αντίθετα, πολλοί μικροί μαγνήτες δημιουργούνται ταυτόχρονα με τον βόρειο και τον νότιο πόλο τους να ευθυγραμμίζονται διαφορετικά. Ως αποτέλεσμα, ο μαγνήτης που προκύπτει είναι στην πραγματικότητα ένα μωσαϊκό από πολλούς διαφορετικούς μικρότερους μαγνήτες. Επιπλέον, θα είναι ελαττωματικό.
Προηγουμένως, σε άλλη μελέτη, οι επιστήμονες επιβεβαίωσανΚλίμακα Kibble-Zurek για σχηματισμό ελαττωμάτων σε σύστημα νηματικών υγρών κρυστάλλων. Εκεί, η μετάβαση από μια ομοιογενή κατάσταση σε μια ελαττωματική κατάσταση επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό πεδίο. Ο δείκτης κλίμακας α=1/2 λήφθηκε για διάφορα υλικά και δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία.
Πηγή: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Ο Μηχανισμός Kibble - Ο Ζουρέκ πήρε το όνομά τουTom V. B. Ο Kibble, ο οποίος ήταν πρωτοπόρος στη μελέτη του σχηματισμού δομής τομέα στο πρώιμο Σύμπαν, και ο Wojciech H. Zurek, ο οποίος συσχέτισε τον αριθμό των ελαττωμάτων που δημιουργήθηκαν με τις κρίσιμες παραμέτρους της μετάβασης και την ταχύτητά της.
Ο μηχανισμός Kibble-Zurek προβλέπει πόσοαπό αυτά τα ελαττώματα είναι αναμενόμενα. Με απλά λόγια, από πόσους μίνι μαγνήτες θα αποτελείται τελικά το υλικό; Αξίζει να σημειωθεί ότι ο αριθμός αυτών των ελαττωμάτων είναι καθολικός και, επομένως, δεν εξαρτάται από μικροσκοπικές λεπτομέρειες. Αυτό σημαίνει ότι πολλά διαφορετικά υλικά συμπεριφέρονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, ακόμα κι αν η μικροσκοπική τους σύνθεση είναι εντελώς διαφορετική.
Ο μηχανισμός Kibble-Zurek και ο σχηματισμός των γαλαξιών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη
Αρχικά εισήχθη ο μηχανισμός Kibble-Zurekνα εξηγήσει το σχηματισμό της δομής στο Σύμπαν. Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, αρχικά ήταν εντελώς ομοιογενής, πράγμα που σημαίνει ότι όλη η ύλη που περιείχε κατανεμήθηκε ομοιόμορφα. Για πολύ καιρό ήταν ασαφές πώς θα μπορούσαν να σχηματιστούν γαλαξίες, αστέρια ή πλανήτες από μια τέτοια ομοιογενή κατάσταση.
Στο πλαίσιο αυτό ο μηχανισμός Kibble-Zurekσε βοηθά να καταλάβεις τι συνέβη. Καθώς το Σύμπαν ψύχθηκε, αναπτύχθηκαν ελαττώματα σαν μαγνήτες. Και, εάν αυτές οι διεργασίες στον μακροσκοπικό κόσμο μελετηθούν καλά, υπάρχει ένας τύπος μετάβασης φάσης στον οποίο δεν έχει ακόμη δοκιμαστεί. Μιλάμε συγκεκριμένα για κβαντικές μεταβάσεις φάσης.
Επέκταση σύμπαντος, τρισδιάστατη απόδοση. Φωτογραφία: angel_nt
Το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν μόνο ότανθερμοκρασία απόλυτου μηδέν: −273 °C. Αυτό σημαίνει ότι η μετάβαση φάσης δεν συμβαίνει κατά τη διάρκεια της ψύξης, αλλά λόγω μιας αλλαγής στην ενέργεια αλληλεπίδρασης. Για παράδειγμα, όταν αλλάζει η πίεση».
Τι έχουν κάνει οι επιστήμονες;
Σε μια νέα μελέτη, οι επιστήμονες μοντελοποίησανμια τέτοια κβαντική μετάβαση φάσης σε έναν υπερυπολογιστή (με τη βοήθεια τεχνητών νευρωνικών δικτύων). Έτσι, έδειξαν για πρώτη φορά ότι ο μηχανισμός Kibble-Zurek, που εξηγεί τη γέννηση του Σύμπαντος, είναι επίσης εφαρμόσιμος στον κβαντικό κόσμο. Όπως σημειώνουν οι συγγραφείς της μελέτης, αυτό το εύρημα «δεν ήταν προφανές». Χρειάστηκε πολλή προσπάθεια για να τα αποδείξουμε. Η νέα έρευνα θα επιτρέψει στους φυσικούς να περιγράψουν καλύτερα τη δυναμική των κβαντομηχανικών συστημάτων πολλών σωματιδίων. Και, επομένως, να κατανοήσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια τους κανόνες που διέπουν αυτόν τον εξωτικό κόσμο.
Διαβάστε περισσότερα:
Μια μαύρη τρύπα-τέρας βρέθηκε στην «πίσω αυλή» της Γης: είναι πολύ κοντά στον πλανήτη μας
Η NASA αποκάλυψε την προέλευση της Haumea - του πιο μυστηριώδους πλανήτη στο ηλιακό σύστημα
Ο Γουέμπ φωτογράφισε τους Στύλους της Δημιουργίας. Συγκρίνετε πώς τα πυροβόλησε το Hubble πριν
Στο εξώφυλλο: Εργαστήριο εννοιολογικής εικόνας του Goddard Space Flight Center της NASA