A számítások, amelyeket a tudósok el akartak végezni, olyan összetettek voltak, hogy még a szuperszámítógépek sem tudták megtenni.
Hogyan működik a kvantumvilág?
Számítsd ki egy biliárdlabda mozgását!viszonylag egyszerű. De sokkal nehezebb megjósolni egy hajóban lévő millió gázrészecske röppályáját, amelyek folyamatosan ütköznek, fékeznek és eltérnek. Ha nem világos, hogy az egyes részecskék pontosan milyen sebességgel mozognak, akkor végtelen számú lehetőségük van egy adott időpontban. Csak a valószínűség számít.
Hasonló helyzet áll fenn a kvantumvilágban:A kvantummechanikai részecskék egyszerre rendelkezhetnek minden lehetséges tulajdonsággal. Ez hihetetlenül nagyra teszi a kvantummechanikai rendszerek állapotterét. A kvantumrészecskék egymás közötti kölcsönhatásának modellezéséhez minden változatos állapotukat figyelembe kell venni. És hihetetlenül nehéz.
A lényeg az, hogy a számítástechnikai követelményekexponenciálisan növekszik a részecskék számával. Ha több mint 40 részecskét vesz fel, akkor még a leggyorsabb szuperszámítógépek sem fognak tudni megbirkózni velük. Ez a kvantumfizika egyik legnagyobb kihívása.
Hogyan lehet leegyszerűsíteni a feladatot?
Az új tanulmányban a tudósok azt használtákmódszerek a gépi tanulás területéről – mesterséges neurális hálózatok. Segítségükkel újrafogalmazható a kvantummechanikai állapot, számítógépekkel vezérelhetővé téve azt.
Mesterséges intelligencia digitális átalakítási koncepció. Fotó: rawpixel.com
Ezzel a módszerrel a fizikusok fontos vizsgálatokat végeztekEgy eddig tisztázatlan elméleti előrejelzés a kvantum Kibble-Zurek mechanizmus. A fizikai rendszerek dinamikus viselkedését írja le az úgynevezett kvantumfázis-átmenet során. Egy egyszerű példa a fázisváltozásra, amikor a víz jéggé változik. Egy másik példa a mágnes lemágnesezése magas hőmérsékleten.
De ha az ellenkezőjét csinálja, és fordítva,és lehűtjük az anyagot, a mágnes ismét „dolgozni” kezd egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt. Ez azonban az anyagon belül egyenetlenül fordul elő. Ehelyett sok kis mágnes jön létre egyszerre, és az északi és déli pólusuk eltérően van elrendezve. Ennek eredményeként a kapott mágnes valójában sok különböző kisebb mágnes mozaikja. Ráadásul hibás lesz.
Korábban egy másik tanulmányban a tudósok megerősítettékKibble-Zurek skálázás a nematikus folyadékkristályos rendszer hibaképzéséhez. Ott a homogén állapotból a hibás állapotba való átmenetet elektromos tér segítségével sikerült elérni. Az α=1/2 skálaindexet különféle anyagokra kaptuk, és nem függ a hőmérséklettől.
Forrás: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
A rágcsáló mechanizmus – a Zurek nevéhez fűződikTom V. B. Kibble, aki úttörő volt a korai Univerzum tartományszerkezet-képződésének tanulmányozásában, és Wojciech H. Zurek, aki a keletkezett hibák számát az átmenet kritikus paramétereihez és sebességéhez kapcsolta.
A Kibble-Zurek mechanizmus megjósolja, mennyitezek a hibák várhatók. Egyszerűen fogalmazva, hány minimágnesből áll majd végül az anyag? Figyelemre méltó, hogy ezeknek a hibáknak a száma univerzális, és így nem függ a mikroszkopikus részletektől. Ez azt jelenti, hogy sok különböző anyag pontosan ugyanúgy viselkedik, még akkor is, ha mikroszkopikus összetételük teljesen eltérő.
A Kibble-Zurek mechanizmus és a galaxisok kialakulása az ősrobbanás után
Kezdetben a Kibble-Zurek mechanizmust vezették behogy megmagyarázza a struktúra kialakulását az Univerzumban. Az Ősrobbanás után kezdetben teljesen homogén volt, ami azt jelenti, hogy minden benne lévő anyag egyenletesen oszlott el. Sokáig nem volt világos, hogyan jöhetnek létre galaxisok, csillagok vagy bolygók ilyen homogén állapotból.
Ebben az összefüggésben a Kibble-Zurek mechanizmussegít megérteni, mi történt. Ahogy az Univerzum lehűlt, a hibák mágnesként fejlődtek ki. És ha ezeket a folyamatokat a makroszkopikus világban jól tanulmányozzuk, van egyfajta fázisátalakulás, amelyen még nem tesztelték. Kifejezetten kvantumfázis-átmenetekről beszélünk.
Univerzum tágulása, 3D renderelés. Fotó: angel_nt
A probléma az, hogy csak akkor léteznek, amikorabszolút nulla hőmérséklet: –273 °C. Ez azt jelenti, hogy a fázisátalakulás nem a hűtés során, hanem a kölcsönhatási energia változása miatt következik be. Például amikor a nyomás megváltozik."
Mit tettek a tudósok?
Egy új tanulmányban a tudósok modelleztékilyen kvantumfázisátmenet szuperszámítógépen (mesterséges neurális hálózatok segítségével). Így először mutatták meg, hogy az Univerzum születését magyarázó Kibble-Zurek mechanizmus a kvantumvilágban is alkalmazható. Amint a tanulmány szerzői megjegyzik, ez a megállapítás „nem volt nyilvánvaló”. Sok erőfeszítésbe került, hogy bebizonyítsák őket. Az új kutatás lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy jobban leírják számos részecske kvantummechanikai rendszerének dinamikáját. És ezért pontosabban megérteni az egzotikus világot irányító szabályokat.
Olvass tovább:
A Föld "hátsó udvarában" egy szörnyeteg fekete lyukat találtak: nagyon közel van bolygónkhoz
A NASA feltárta a Haumea eredetét - a Naprendszer legtitokzatosabb bolygóját
Webb lefényképezte a Teremtés Oszlopait. Hasonlítsa össze, hogyan lőtte le őket korábban a Hubble
A borítón: a NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Labja