I calcoli che gli scienziati volevano effettuare erano così complessi che nemmeno i supercomputer sarebbero riusciti a farli.
Come funziona il mondo quantistico?
Calcolare il movimento di una palla da biliardorelativamente semplice. Ma prevedere le traiettorie di un milione di particelle di gas in una nave, che si scontrano, frenano e deviano costantemente, è molto più difficile. Se non è chiaro esattamente a quale velocità si muove ciascuna particella, allora hanno un numero infinito di opzioni possibili in un dato momento. Conta solo la probabilità.
Una situazione simile esiste nel mondo quantistico:le particelle quantomeccaniche possono possedere contemporaneamente tutte le proprietà potenzialmente possibili. Ciò rende lo spazio degli stati dei sistemi quantomeccanici incredibilmente ampio. Per modellare l'interazione delle particelle quantistiche tra loro, è necessario tenere conto di tutti i loro stati varianti. Ed è incredibilmente difficile.
Il punto è che i requisiti informaticiaumentano esponenzialmente con il numero di particelle. Se prendi più di 40 particelle, anche i supercomputer più veloci non saranno in grado di gestirle. Questa è una delle più grandi sfide della fisica quantistica.
Come semplificare il compito?
Nel nuovo studio, gli scienziati hanno utilizzatometodi dal campo dell’apprendimento automatico: reti neurali artificiali. Con il loro aiuto è possibile riformulare lo stato quantomeccanico, rendendolo controllabile dai computer.
Concetto di trasformazione digitale dell'intelligenza artificiale. Foto: rawpixel.com
Usando questo metodo, i fisici hanno studiato importantiuna previsione teorica che finora è rimasta poco chiara è il meccanismo quantistico di Kibble-Zurek. Descrive il comportamento dinamico dei sistemi fisici durante la cosiddetta transizione di fase quantistica. Un semplice esempio di cambiamento di fase è quando l'acqua si trasforma in ghiaccio. Un altro esempio è la smagnetizzazione di un magnete ad alte temperature.
Ma se fai il contrario e viceversa,e raffreddare il materiale, il magnete ricomincerà a “lavorare” al di sotto di una certa temperatura critica. Tuttavia, ciò avviene in modo non uniforme in tutto il materiale. Invece, molti piccoli magneti vengono creati simultaneamente con i poli nord e sud allineati in modo diverso. Di conseguenza, il magnete risultante è in realtà un mosaico di molti magneti diversi più piccoli. Inoltre, sarà difettoso.
In precedenza, in un altro studio, gli scienziati avevano confermatoRidimensionamento Kibble-Zurek per la formazione di difetti in un sistema a cristalli liquidi nematici. Lì, la transizione da uno stato omogeneo a uno stato difettoso è stata ottenuta utilizzando un campo elettrico. L'indice di scala α=1/2 è stato ottenuto per diversi materiali e non dipende dalla temperatura.
Fonte: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Il meccanismo delle crocchette: da lui prende il nome ZurekTom V. B. Kibble, che fu un pioniere nello studio della formazione della struttura dei domini nell'Universo primordiale, e Wojciech H. Zurek, che collegò il numero di difetti creati ai parametri critici della transizione e alla sua velocità.
Il meccanismo Kibble-Zurek prevede quantodi questi difetti sono prevedibili. In poche parole, di quanti mini-magneti sarà composto il materiale alla fine? È interessante notare che il numero di questi difetti è universale e, quindi, non dipende dai dettagli microscopici. Ciò significa che molti materiali diversi si comportano esattamente allo stesso modo, anche se la loro composizione microscopica è completamente diversa.
Il meccanismo Kibble-Zurek e la formazione delle galassie dopo il Big Bang
Inizialmente è stato introdotto il meccanismo Kibble-Zurekper spiegare la formazione della struttura nell’Universo. Dopo il Big Bang inizialmente era completamente omogeneo, il che significa che tutta la materia che lo conteneva era distribuita in modo uniforme. Per molto tempo non è stato chiaro come le galassie, le stelle o i pianeti potessero formarsi da uno stato così omogeneo.
In questo contesto, il meccanismo Kibble-Zurekti aiuta a capire cosa è successo. Mentre l'Universo si raffreddava, i difetti si sviluppavano come magneti. E, se questi processi nel mondo macroscopico sono ben studiati, esiste un tipo di transizione di fase su cui non è stato ancora possibile testarlo. Stiamo parlando specificamente di transizioni di fase quantistica.
Espansione dell'universo, rendering 3D. Foto: angel_nt
Il problema è che esistono solo quandotemperatura dello zero assoluto: −273 °C. Ciò significa che la transizione di fase non avviene durante il raffreddamento, ma a causa di un cambiamento nell'energia di interazione. Ad esempio, quando la pressione cambia."
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
In un nuovo studio, gli scienziati hanno modellatouna tale transizione di fase quantistica su un supercomputer (con l'aiuto di reti neurali artificiali). Hanno così dimostrato per la prima volta che il meccanismo Kibble-Zurek, che spiega la nascita dell’Universo, è applicabile anche al mondo quantistico. Come notano gli autori dello studio, questo risultato "non era ovvio". Ci è voluto molto impegno per dimostrarli. La nuova ricerca consentirà ai fisici di descrivere meglio la dinamica dei sistemi quantomeccanici di molte particelle. E, quindi, per comprendere con maggiore precisione le regole che governano questo mondo esotico.
Leggi di più:
Un mostro buco nero è stato trovato nel "cortile" della Terra: è molto vicino al nostro pianeta
La NASA ha rivelato l'origine di Haumea, il pianeta più misterioso del sistema solare
Webb ha fotografato i Pilastri della Creazione. Confronta come Hubble li ha sparati prima
In copertina: il Conceptual Image Lab del Goddard Space Flight Center della NASA