Aprēķini, ko zinātnieki vēlējās veikt, bija tik sarežģīti, ka pat superdatori to nevarēja izdarīt.
Kā darbojas kvantu pasaule?
Aprēķiniet vienas biljarda bumbas kustībusalīdzinoši vienkārši. Bet daudz grūtāk ir paredzēt trajektorijas miljonam gāzes daļiņām traukā, kuras pastāvīgi saduras, bremzē un novirzās. Ja nav precīzi skaidrs, ar kādu ātrumu katra daļiņa pārvietojas, tad tām ir bezgalīgi daudz iespēju jebkurā konkrētā brīdī. Svarīga ir tikai varbūtība.
Līdzīga situācija pastāv kvantu pasaulē:kvantu mehāniskajām daļiņām vienlaikus var būt visas potenciāli iespējamās īpašības. Tas padara kvantu mehānisko sistēmu stāvokļu telpu neticami lielu. Lai modelētu kvantu daļiņu mijiedarbību savā starpā, ir jāņem vērā visi to variantu stāvokļi. Un tas ir neticami grūti.
Lieta ir tāda, ka skaitļošanas prasībaspieaug eksponenciāli līdz ar daļiņu skaitu. Ja ņemat vairāk par 40 daļiņām, tad ar tām netiks galā pat ātrākie superdatori. Šis ir viens no lielākajiem izaicinājumiem kvantu fizikā.
Kā vienkāršot uzdevumu?
Jaunajā pētījumā zinātnieki izmantojametodes no mašīnmācības jomas — mākslīgie neironu tīkli. Ar to palīdzību ir iespējams pārformulēt kvantu mehānisko stāvokli, padarot to vadāmu ar datoriem.
Mākslīgā intelekta digitālās transformācijas jēdziens. Foto: rawpixel.com
Izmantojot šo metodi, fiziķi pētīja svarīguteorētiskā prognoze, kas līdz šim ir palikusi neskaidra, ir kvantu Kibble-Zurek mehānisms. Tas apraksta fizisko sistēmu dinamisko uzvedību tā sauktās kvantu fāzes pārejas laikā. Vienkāršs fāzes maiņas piemērs ir, kad ūdens pārvēršas ledū. Vēl viens piemērs ir magnēta demagnetizācija augstā temperatūrā.
Bet, ja darāt pretējo un otrādi,un atdzesē materiālu, magnēts atkal sāks “strādāt” zem noteiktas kritiskās temperatūras. Tomēr tas notiek nevienmērīgi visā materiālā. Tā vietā daudzi mazi magnēti tiek izveidoti vienlaikus ar to ziemeļu un dienvidu polu, kas ir saskaņoti atšķirīgi. Rezultātā iegūtais magnēts patiesībā ir daudzu dažādu mazāku magnētu mozaīka. Turklāt tas būs bojāts.
Iepriekš citā pētījumā zinātnieki apstiprinājaKibble-Zurek mērogošana defektu veidošanai nematiskā šķidro kristālu sistēmā. Tur pāreja no viendabīga stāvokļa uz bojātu stāvokli tika panākta, izmantojot elektrisko lauku. Mēroga indekss α=1/2 iegūts dažādiem materiāliem un nav atkarīgs no temperatūras.
Avots: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Sasmalcināšanas mehānisms — Zurek ir nosaukts vārdāToms V. B. Kibls, kurš bija pionieris domēna struktūras veidošanās pētījumos agrīnajā Visumā, un Vojcehs H. Zureks, kurš radušos defektu skaitu saistīja ar pārejas kritiskajiem parametriem un tās ātrumu.
Kibble-Zurek mehānisms paredz, cik daudzno šiem defektiem ir sagaidāms. Vienkārši sakot, no cik mini magnētiem materiāls galu galā sastāvēs? Jāatzīmē, ka šo defektu skaits ir universāls un līdz ar to nav atkarīgs no mikroskopiskām detaļām. Tas nozīmē, ka daudzi dažādi materiāli uzvedas tieši tāpat, pat ja to mikroskopiskais sastāvs ir pilnīgi atšķirīgs.
Kibble-Zurek mehānisms un galaktiku veidošanās pēc Lielā sprādziena
Sākotnēji tika ieviests Kibble-Zurek mehānismslai izskaidrotu struktūras veidošanos Visumā. Pēc Lielā sprādziena tas sākotnēji bija pilnīgi viendabīgs, kas nozīmē, ka visa saturošā viela tika sadalīta vienmērīgi. Ilgu laiku nebija skaidrs, kā galaktikas, zvaigznes vai planētas var veidoties no tik viendabīga stāvokļa.
Šajā kontekstā Kibble-Zurek mehānismspalīdz saprast notikušo. Visumam atdziestot, defekti attīstījās kā magnēti. Un, ja šie procesi makroskopiskajā pasaulē ir labi izpētīti, ir viena veida fāzes pārejas, uz kurām tas vēl nav pārbaudīts. Mēs īpaši runājam par kvantu fāzes pārejām.
Visuma paplašināšana, 3D renderēšana. Foto: angel_nt
Problēma ir tā, ka tie pastāv tikai tad, kadabsolūtās nulles temperatūra: –273 °C. Tas nozīmē, ka fāzes pāreja notiek nevis dzesēšanas laikā, bet gan mijiedarbības enerģijas izmaiņu dēļ. Piemēram, kad mainās spiediens.
Ko zinātnieki ir izdarījuši?
Jaunā pētījumā zinātnieki modelējašāda kvantu fāzes pāreja uz superdatora (ar mākslīgo neironu tīklu palīdzību). Tādējādi viņi pirmo reizi parādīja, ka Kibble-Zurek mehānisms, kas izskaidro Visuma rašanos, ir piemērojams arī kvantu pasaulē. Kā atzīmē pētījuma autori, šis atklājums "nebija acīmredzams". Lai tos pierādītu, bija jāpieliek daudz pūļu. Jaunais pētījums ļaus fiziķiem labāk aprakstīt daudzu daļiņu kvantu mehānisko sistēmu dinamiku. Un tāpēc, lai precīzāk izprastu noteikumus, kas regulē šo eksotisko pasauli.
Lasīt vairāk:
Zemes "pagalmā" tika atrasts briesmonis melnais caurums: tas atrodas ļoti tuvu mūsu planētai
NASA atklāja Haumea - Saules sistēmas noslēpumainākās planētas - izcelsmi
Vebs fotografēja radīšanas pīlārus. Salīdziniet, kā Habls tos nošāva iepriekš
Uz vāka: NASA Godāra kosmosa lidojumu centra konceptuālo attēlu laboratorija