החישובים שהמדענים רצו לבצע היו כה מורכבים שאפילו מחשבי-על לא יכלו לעשות זאת.
איך עובד העולם הקוונטי?
חשב את התנועה של כדור ביליארד אחדפשוט יחסית. אבל לחזות את המסלולים של מיליון חלקיקי גז בכלי, שמתנגשים כל הזמן, בולמים ומוסטים, זה הרבה יותר קשה. אם לא ברור באיזו מהירות בדיוק כל חלקיק נע, אז יש להם אינסוף אפשרויות אפשריות בכל נקודת זמן נתונה. רק ההסתברות קובעת.
מצב דומה קיים בעולם הקוונטי:חלקיקים מכאניים קוונטיים יכולים להחזיק בו זמנית את כל התכונות האפשריות. זה הופך את מרחב המצב של מערכות מכניות קוונטיות לגדול להפליא. כדי לדגמן את האינטראקציה של חלקיקים קוונטיים זה עם זה, יש צורך לקחת בחשבון את כל מצבי הווריאציה שלהם. וזה קשה להפליא.
הנקודה היא שדרישות המחשובגדל באופן אקספוננציאלי עם מספר החלקיקים. אם אתה לוקח יותר מ-40 חלקיקים, אז אפילו מחשבי העל המהירים ביותר לא יוכלו להתמודד איתם. זהו אחד האתגרים הגדולים ביותר של פיזיקת הקוונטים.
איך לפשט את המשימה?
במחקר החדש השתמשו מדעניםשיטות מתחום למידת מכונה - רשתות עצביות מלאכותיות. בעזרתם, ניתן לנסח מחדש את המצב המכני הקוונטי, מה שהופך אותו לשליטה על ידי מחשבים.
מושג טרנספורמציה דיגיטלית של בינה מלאכותית. צילום: rawpixel.com
באמצעות שיטה זו, פיזיקאים חקרו חשובתחזית תיאורטית שעד כה נותרה לא ברורה היא המנגנון הקוונטי של Kibble-Zurek. הוא מתאר את ההתנהגות הדינמית של מערכות פיזיקליות במהלך מה שנקרא מעבר פאזה קוונטי. דוגמה פשוטה לשינוי פאזה היא כאשר מים הופכים לקרח. דוגמה נוספת היא דה-מגנטיזציה של מגנט בטמפרטורות גבוהות.
אבל אם אתה עושה את ההיפך ולהיפך,ולקרר את החומר, המגנט יתחיל שוב "לעבוד" מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת. עם זאת, זה מתרחש בצורה לא אחידה לאורך החומר. במקום זאת, מגנטים קטנים רבים נוצרים בו-זמנית כשהקוטב הצפוני והדרומי שלהם מיושרים בצורה שונה. כתוצאה מכך, המגנט שנוצר הוא למעשה פסיפס של הרבה מגנטים קטנים יותר. בנוסף, הוא יהיה פגום.
בעבר, במחקר אחר, מדענים אישרוקנה מידה Kibble-Zurek להיווצרות פגמים במערכת גבישים נוזליים נמטיים. שם, המעבר ממצב הומוגני למצב פגום הושג באמצעות שדה חשמלי. אינדקס קנה המידה α=1/2 התקבל עבור חומרים שונים ואינו תלוי בטמפרטורה.
מקור: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
מנגנון הקיבל - זורק נקרא על שמוטום V. B. קיבל, שהיה חלוץ בחקר היווצרות מבנה תחום ביקום המוקדם, ו-Wojciech H. Zurek, אשר קשר את מספר הליקויים שנוצרו לפרמטרים הקריטיים של המעבר ולמהירותו.
מנגנון קיבל-זורק מנבא כמהשל פגמים אלה צפויים. במילים פשוטות, מכמה מיני-מגנטים יהיה בסופו של דבר החומר? ראוי לציין כי מספר הפגמים הללו הוא אוניברסלי, ולכן אינו תלוי בפרטים מיקרוסקופיים. המשמעות היא שהרבה חומרים שונים מתנהגים בדיוק באותה צורה, גם אם ההרכב המיקרוסקופי שלהם שונה לחלוטין.
מנגנון ה-Kibble-Zurek והיווצרות הגלקסיות לאחר המפץ הגדול
בתחילה הוכנס מנגנון קיבל-זורקלהסביר את היווצרות המבנה ביקום. לאחר המפץ הגדול, זה היה בתחילה הומוגנית לחלוטין, מה שאומר שכל החומר המכיל היה מופץ באופן שווה. במשך זמן רב לא היה ברור כיצד גלקסיות, כוכבים או כוכבי לכת יכולים להיווצר ממצב כה הומוגני.
בהקשר זה, מנגנון קיבל-צורקעוזר לך להבין מה קרה. כשהיקום התקרר, התפתחו פגמים כמו מגנטים. ואם תהליכים אלו בעולם המקרוסקופי נלמדים היטב, יש סוג אחד של מעברי פאזה שעליו הוא עדיין לא נבדק. אנחנו מדברים ספציפית על מעברי פאזה קוונטיים.
הרחבת היקום, עיבוד תלת מימד. צילום: angel_nt
הבעיה היא שהם קיימים רק כאשרטמפרטורת אפס מוחלט: −273 מעלות צלזיוס. המשמעות היא שמעבר הפאזה מתרחש לא במהלך הקירור, אלא עקב שינוי באנרגיית האינטראקציה. למשל, כשהלחץ משתנה".
מה עשו המדענים?
במחקר חדש, מדענים דגלומעבר פאזה קוונטי כזה במחשב על (בעזרת רשתות עצביות מלאכותיות). כך, הם הראו לראשונה שמנגנון קיבל-זורק, המסביר את הולדת היקום, ישים גם בעולם הקוונטי. כפי שמציינים מחברי המחקר, ממצא זה היה "לא ברור". נדרש מאמץ רב כדי להוכיח אותם. המחקר החדש יאפשר לפיסיקאים לתאר טוב יותר את הדינמיקה של מערכות מכניות קוונטיות של חלקיקים רבים. ולכן, להבין ביתר דיוק את הכללים השולטים בעולם האקזוטי הזה.
קרא עוד:
חור שחור מפלצתי נמצא ב"חצר האחורית" של כדור הארץ: הוא קרוב מאוד לכוכב הלכת שלנו
נאס"א חשפה את מקורו של האומאה - כוכב הלכת המסתורי ביותר במערכת השמש
ווב צילם את עמודי הבריאה. השווה איך האבל ירה בהם בעבר
על הכריכה: מעבדת תמונה מושגית של מרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א