Skaičiavimai, kuriuos mokslininkai norėjo atlikti, buvo tokie sudėtingi, kad net superkompiuteriai to negalėjo padaryti.
Kaip veikia kvantinis pasaulis?
Apskaičiuokite vieno biliardo kamuoliuko judėjimąpalyginti paprasta. Tačiau nuspėti milijono dujų dalelių laive trajektorijas, kurios nuolat susiduria, stabdo ir nukreipia, yra daug sunkiau. Jei tiksliai neaišku, kokiu greičiu kiekviena dalelė juda, tada jos turi begalinį galimų variantų skaičių bet kuriuo laiko momentu. Svarbu tik tikimybė.
Panaši situacija yra ir kvantiniame pasaulyje:Kvantinės mechaninės dalelės vienu metu gali turėti visas potencialiai įmanomas savybes. Dėl to kvantinių mechaninių sistemų būsenos erdvė yra neįtikėtinai didelė. Norint modeliuoti kvantinių dalelių sąveiką tarpusavyje, būtina atsižvelgti į visas jų variantines būsenas. Ir tai yra neįtikėtinai sunku.
Esmė ta, kad skaičiavimo reikalavimaieksponentiškai didėja didėjant dalelių skaičiui. Jei paimsite daugiau nei 40 dalelių, net greičiausi superkompiuteriai negalės su jomis susidoroti. Tai vienas didžiausių kvantinės fizikos iššūkių.
Kaip supaprastinti užduotį?
Naujajame tyrime mokslininkai naudojometodai iš mašininio mokymosi srities – dirbtiniai neuroniniai tinklai. Jų pagalba galima performuluoti kvantinę mechaninę būseną, kad ją būtų galima valdyti kompiuteriais.
Dirbtinio intelekto skaitmeninės transformacijos koncepcija. Nuotrauka: rawpixel.com
Naudodami šį metodą, fizikai ištyrė svarbiusTeorinė prognozė, kuri iki šiol liko neaiški, yra kvantinis Kibble-Zurek mechanizmas. Jame aprašomas dinaminis fizinių sistemų elgesys vadinamojo kvantinės fazės perėjimo metu. Paprastas fazės pasikeitimo pavyzdys yra tada, kai vanduo virsta ledu. Kitas pavyzdys yra magneto išmagnetinimas aukštoje temperatūroje.
Bet jei elgsitės priešingai, ir atvirkščiai,ir atvėsinkite medžiagą, magnetas vėl pradės „dirbti“ žemiau tam tikros kritinės temperatūros. Tačiau tai vyksta netolygiai visoje medžiagoje. Vietoj to, vienu metu sukuriama daug mažų magnetų, kurių šiaurinis ir pietinis poliai yra išdėstyti skirtingai. Dėl to gautas magnetas iš tikrųjų yra daugelio skirtingų mažesnių magnetų mozaika. Be to, jis bus brokuotas.
Anksčiau kitame tyrime mokslininkai patvirtinoKibble-Zurek mastelio keitimas defektams formuoti nematinėje skystųjų kristalų sistemoje. Ten perėjimas iš vienalytės būsenos į defektinę buvo pasiektas naudojant elektrinį lauką. Skalės indeksas α=1/2 gautas įvairioms medžiagoms ir nepriklauso nuo temperatūros.
Šaltinis: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Smulkinimo mechanizmas – Zurek pavadintasTomas V. B. Kibble'as, kuris buvo domenų struktūros formavimo ankstyvojoje Visatoje tyrimo pradininkas, ir Wojciechas H. Zurekas, susiejęs sukurtų defektų skaičių su kritiniais perėjimo parametrais ir jo greičiu.
Kibble-Zurek mechanizmas numato, kiekgalima tikėtis, kad Paprasčiau tariant, iš kiek mini magnetų galiausiai sudarys medžiaga? Pažymėtina, kad šių defektų skaičius yra universalus, todėl nepriklauso nuo mikroskopinių detalių. Tai reiškia, kad daugelis skirtingų medžiagų elgiasi lygiai taip pat, net jei jų mikroskopinė sudėtis visiškai skiriasi.
Kibble-Zurek mechanizmas ir galaktikų susidarymas po Didžiojo sprogimo
Iš pradžių buvo pristatytas Kibble-Zurek mechanizmaspaaiškinti struktūros formavimąsi Visatoje. Po Didžiojo sprogimo jis iš pradžių buvo visiškai vienalytis, o tai reiškia, kad visa medžiaga buvo pasiskirstyta tolygiai. Ilgą laiką buvo neaišku, kaip iš tokios homogeniškos būsenos gali susidaryti galaktikos, žvaigždės ar planetos.
Šiame kontekste Kibble-Zurek mechanizmaspadeda suprasti, kas atsitiko. Visatai vėsstant defektai vystėsi kaip magnetai. Ir jei šie procesai makroskopiniame pasaulyje yra gerai ištirti, yra vieno tipo fazių perėjimai, dėl kurių jis dar nebuvo išbandytas. Mes kalbame konkrečiai apie kvantinius fazių perėjimus.
Visatos plėtimas, 3D atvaizdavimas. Nuotrauka: angel_nt
Problema ta, kad jie egzistuoja tik tada, kaiabsoliutaus nulio temperatūra: –273 °C. Tai reiškia, kad fazinis perėjimas vyksta ne aušinimo metu, o dėl sąveikos energijos pasikeitimo. Pavyzdžiui, kai pasikeičia slėgis.
Ką padarė mokslininkai?
Naujame tyrime mokslininkai modeliavotoks kvantinės fazės perėjimas superkompiuteryje (dirbtinių neuroninių tinklų pagalba). Taigi jie pirmą kartą parodė, kad Kibble-Zurek mechanizmas, paaiškinantis Visatos gimimą, yra taikomas ir kvantiniame pasaulyje. Kaip pažymi tyrimo autoriai, ši išvada „nebuvo akivaizdi“. Prireikė daug pastangų jiems įrodyti. Naujasis tyrimas leis fizikams geriau apibūdinti daugelio dalelių kvantinių mechaninių sistemų dinamiką. Ir todėl tiksliau suprasti taisykles, valdančias šį egzotišką pasaulį.
Skaityti daugiau:
Pabaisos juodoji skylė buvo rasta Žemės „kieme“: ji labai arti mūsų planetos
NASA atskleidė Haumėjos – paslaptingiausios Saulės sistemos planetos – kilmę
Webbas nufotografavo kūrimo stulpus. Palyginkite, kaip Hablas juos nušovė anksčiau
Viršelyje: NASA Goddardo kosminių skrydžių centro konceptualaus vaizdo laboratorija