Izračuni koje su znanstvenici željeli izvesti bili su toliko složeni da to čak ni superračunala nisu mogla učiniti.
Kako kvantni svijet funkcionira?
Izračunaj kretanje jedne biljarske kuglerelativno jednostavno. No, mnogo je teže predvidjeti putanje milijun čestica plina u posudi, koje se neprestano sudaraju, koče i skreću. Ako nije jasno kojom se točno brzinom svaka čestica kreće, tada imaju beskonačan broj mogućih opcija u bilo kojem trenutku u vremenu. Važna je samo vjerojatnost.
Slična situacija postoji iu kvantnom svijetu:kvantno mehaničke čestice mogu istovremeno posjedovati sva potencijalno moguća svojstva. To čini prostor stanja kvantno mehaničkih sustava nevjerojatno velikim. Za modeliranje međusobne interakcije kvantnih čestica potrebno je uzeti u obzir sva njihova varijanta stanja. I nevjerojatno je teško.
Stvar je u tome da računalni zahtjevirastu eksponencijalno s brojem čestica. Ako uzmete više od 40 čestica, čak se ni najbrža superračunala neće moći nositi s njima. Ovo je jedan od najvećih izazova u kvantnoj fizici.
Kako pojednostaviti zadatak?
U novoj studiji znanstvenici su koristilimetode iz područja strojnog učenja—umjetne neuronske mreže. Uz njihovu pomoć, moguće je preformulirati kvantno mehaničko stanje, čineći ga kontroliranim pomoću računala.
Koncept digitalne transformacije umjetne inteligencije. Fotografija: rawpixel.com
Koristeći ovu metodu, fizičari su istražili važneTeoretsko predviđanje koje je do sada ostalo nejasno je kvantni Kibble-Zurekov mehanizam. Opisuje dinamičko ponašanje fizičkih sustava tijekom takozvanog kvantnog faznog prijelaza. Jednostavan primjer promjene faze je kada se voda pretvori u led. Drugi primjer je demagnetizacija magneta na visokim temperaturama.
Ali ako učinite suprotno i obrnuto,i ohladiti materijal, magnet će ponovno početi "raditi" ispod određene kritične temperature. Međutim, to se događa neravnomjerno u cijelom materijalu. Umjesto toga, mnogi mali magneti se stvaraju istovremeno sa svojim sjevernim i južnim polom različito poredanim. Kao rezultat toga, dobiveni magnet zapravo je mozaik mnogo različitih manjih magneta. Osim toga, bit će neispravan.
Prethodno su u drugoj studiji znanstvenici potvrdiliKibble-Zurekovo skaliranje za stvaranje defekata u sustavu nematičkih tekućih kristala. Tamo je prijelaz iz homogenog stanja u neispravno stanje postignut pomoću električnog polja. Indeks skale α=1/2 dobiven je za različite materijale i ne ovisi o temperaturi.
Izvor: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Mehanizam Kibble—Zurek je dobio ime poTom V. B. Kibble, koji je bio pionir u proučavanju formiranja strukture domene u ranom svemiru, i Wojciech H. Zurek, koji je povezao broj stvorenih defekata s kritičnim parametrima prijelaza i njegovom brzinom.
Kibble-Zurek mehanizam predviđa koliko ovi nedostaci su očekivani. Jednostavno rečeno, od koliko mini-magneta će se materijal u konačnici sastojati? Važno je napomenuti da je broj ovih nedostataka univerzalan i stoga ne ovisi o mikroskopskim detaljima. To znači da se mnogi različiti materijali ponašaju na potpuno isti način, čak i ako je njihov mikroskopski sastav potpuno drugačiji.
Kibble-Zurekov mehanizam i nastanak galaksija nakon Velikog praska
U početku je uveden mehanizam Kibble-Zurekobjasniti nastanak strukture u svemiru. Nakon Velikog praska, u početku je bio potpuno homogen, što znači da je sva materija koja ga je sadržavala bila ravnomjerno raspoređena. Dugo vremena nije bilo jasno kako se galaksije, zvijezde ili planeti mogu formirati iz tako homogenog stanja.
U tom kontekstu, mehanizam Kibble-Zurekpomaže vam razumjeti što se dogodilo. Kako se svemir hladio, defekti su se razvijali poput magneta. I, ako su ti procesi u makroskopskom svijetu dobro proučeni, postoji jedna vrsta faznih prijelaza na kojoj još nije ispitana. Govorimo konkretno o kvantnim faznim prijelazima.
Širenje svemira, 3D renderiranje. Fotografija: angel_nt
Problem je u tome što oni postoje samo kadatemperatura apsolutne nule: −273 °C. To znači da se fazni prijelaz ne događa tijekom hlađenja, već zbog promjene energije interakcije. Na primjer, kad se tlak promijeni.”
Što su znanstvenici učinili?
U novoj studiji znanstvenici su modeliralitakav kvantni fazni prijelaz na superračunalu (uz pomoć umjetnih neuronskih mreža). Time su po prvi put pokazali da je Kibble-Zurek mehanizam, koji objašnjava rođenje Svemira, primjenjiv i u kvantnom svijetu. Kao što autori studije navode, ovo otkriće "nije očito". Bilo je potrebno mnogo truda da ih se dokaže. Novo istraživanje omogućit će fizičarima da bolje opišu dinamiku kvantno mehaničkih sustava mnogih čestica. I, stoga, točnije razumjeti pravila koja vladaju u ovom egzotičnom svijetu.
Čitaj više:
Čudovišna crna rupa pronađena je u "dvorištu" Zemlje: vrlo je blizu našeg planeta
NASA je otkrila podrijetlo Haumee - najtajanstvenijeg planeta Sunčevog sustava
Webb je fotografirao Stupove stvaranja. Usporedite kako ih je Hubble prije snimio
Na naslovnici: NASA-in Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab