Laskelmat, jotka tiedemiehet halusivat tehdä, olivat niin monimutkaisia, että edes supertietokoneet eivät pystyneet tekemään sitä.
Miten kvanttimaailma toimii?
Laske yhden biljardipallon liikesuhteellisen yksinkertainen. Mutta aluksen miljoonan kaasuhiukkasen lentoratojen ennustaminen, jotka jatkuvasti törmäävät, jarruttavat ja taipuvat, on paljon vaikeampaa. Jos ei ole selvää, millä nopeudella kukin hiukkanen liikkuu, niillä on ääretön määrä mahdollisia vaihtoehtoja kullakin hetkellä. Vain todennäköisyydellä on väliä.
Samanlainen tilanne vallitsee kvanttimaailmassa:kvanttimekaanisilla hiukkasilla voi olla samanaikaisesti kaikki mahdolliset ominaisuudet. Tämä tekee kvanttimekaanisten järjestelmien tilaavaruudesta uskomattoman suuren. Kvanttihiukkasten keskinäisen vuorovaikutuksen mallintamiseksi on tarpeen ottaa huomioon kaikki niiden muunneltavat tilat. Ja se on uskomattoman vaikeaa.
Asia on siinä, että laskentavaatimuksetkasvaa eksponentiaalisesti hiukkasten määrän myötä. Jos otat yli 40 hiukkasta, edes nopeimmat supertietokoneet eivät pysty selviytymään niistä. Tämä on yksi kvanttifysiikan suurimmista haasteista.
Kuinka yksinkertaistaa tehtävää?
Uudessa tutkimuksessa tutkijat käyttivätmenetelmät koneoppimisen alalta – keinotekoiset neuroverkot. Niiden avulla on mahdollista muotoilla kvanttimekaaninen tila uudelleen, jolloin se on tietokoneiden ohjattavissa.
Tekoälyn digitaalisen muunnoskonsepti. Kuva: rawpixel.com
Tällä menetelmällä fyysikot tutkivat tärkeitäteoreettinen ennuste, joka on toistaiseksi jäänyt epäselväksi, on kvantti Kibble-Zurek -mekanismi. Se kuvaa fyysisten järjestelmien dynaamista käyttäytymistä ns. kvanttifaasisiirtymän aikana. Yksinkertainen esimerkki faasimuutoksesta on veden muuttuminen jääksi. Toinen esimerkki on magneetin demagnetointi korkeissa lämpötiloissa.
Mutta jos teet päinvastoin ja päinvastoin,ja jäähdytä materiaali, magneetti alkaa jälleen "toimia" tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella. Tämä tapahtuu kuitenkin epätasaisesti koko materiaalissa. Sen sijaan monet pienet magneetit luodaan samanaikaisesti ja niiden pohjois- ja etelänapa on kohdistettu eri tavalla. Tuloksena oleva magneetti on itse asiassa monien erilaisten pienempien magneettien mosaiikki. Lisäksi se tulee olemaan viallinen.
Aiemmin toisessa tutkimuksessa tutkijat vahvistivatKibble-Zurek-skaalaus vikojen muodostukseen nemaattisessa nestekidejärjestelmässä. Siellä siirtyminen homogeenisesta tilasta vialliseen tilaan saavutettiin sähkökentän avulla. Skaalausindeksi α=1/2 saatiin eri materiaaleille, eikä se ole lämpötilasta riippuvainen.
Lähde: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Kibble-mekanismi – Zurek on nimettyTom V. B. Kibble, joka oli edelläkävijä varhaisen universumin domeenirakenteen muodostumisen tutkimuksessa, ja Wojciech H. Zurek, joka liitti syntyneiden vikojen määrän siirtymän kriittisiin parametreihin ja sen nopeuteen.
Kibble-Zurek-mekanismi ennustaa kuinka paljonNäistä vioista on odotettavissa. Yksinkertaisesti sanottuna, kuinka monesta minimagneetista materiaali lopulta koostuu? On huomionarvoista, että näiden vikojen lukumäärä on universaali, eikä se siten riipu mikroskooppisista yksityiskohdista. Tämä tarkoittaa, että monet erilaiset materiaalit käyttäytyvät täsmälleen samalla tavalla, vaikka niiden mikroskooppinen koostumus olisi täysin erilainen.
Kibble-Zurek-mekanismi ja galaksien muodostuminen alkuräjähdyksen jälkeen
Aluksi otettiin käyttöön Kibble-Zurek-mekanismiselittää rakenteen muodostumista universumissa. Alkuräjähdyksen jälkeen se oli alun perin täysin homogeeninen, mikä tarkoittaa, että kaikki sisältämä aine jakautui tasaisesti. Pitkään oli epäselvää, kuinka galakseja, tähtiä tai planeettoja voi muodostua tällaisesta homogeenisestä tilasta.
Tässä yhteydessä Kibble-Zurek-mekanismiauttaa ymmärtämään mitä tapahtui. Universumin jäähtyessä vikoja kehittyi kuin magneetteja. Ja jos näitä prosesseja makroskooppisessa maailmassa tutkitaan hyvin, on olemassa yhden tyyppisiä faasisiirtymiä, joissa sitä ei ole vielä testattu. Puhumme erityisesti kvanttifaasisiirtymistä.
Universumin laajennus, 3D renderöinti. Kuva: angel_nt
Ongelmana on, että ne ovat olemassa vain silloin, kunabsoluuttinen nollalämpötila: -273 °C. Tämä tarkoittaa, että faasimuutos ei tapahdu jäähtymisen aikana, vaan vuorovaikutusenergian muutoksesta johtuen. Esimerkiksi kun paine muuttuu."
Mitä tutkijat ovat tehneet?
Uudessa tutkimuksessa tutkijat mallinsivattällainen kvanttivaiheen muutos supertietokoneessa (keinotekoisten hermoverkkojen avulla). Siten he osoittivat ensimmäistä kertaa, että Kibble-Zurek-mekanismi, joka selittää universumin syntymisen, on sovellettavissa myös kvanttimaailmassa. Kuten tutkimuksen tekijät huomauttavat, tämä havainto "ei ollut ilmeinen". Niiden todistaminen vaati paljon vaivaa. Uuden tutkimuksen avulla fyysikot pystyvät kuvaamaan paremmin monien hiukkasten kvanttimekaanisten järjestelmien dynamiikkaa. Ja siksi ymmärtää tarkemmin säännöt, jotka hallitsevat tätä eksoottista maailmaa.
Lue lisää:
Maan "takapihalta" löydettiin hirviö musta aukko: se on hyvin lähellä planeettamme
NASA paljasti Haumean alkuperän - aurinkokunnan salaperäisimmän planeetan
Webb valokuvasi luomisen pilarit. Vertaa kuinka Hubble ampui heidät aiemmin
Kannessa: NASAn Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab