Beregningene som forskerne ønsket å utføre var så komplekse at selv superdatamaskiner ikke kunne gjøre det.
Hvordan fungerer kvanteverdenen?
Beregn bevegelsen til en biljardballrelativt enkelt. Men å forutsi banene til en million gasspartikler i et fartøy, som hele tiden kolliderer, bremser og bøyer seg, er mye vanskeligere. Hvis det ikke er klart nøyaktig hvilken hastighet hver partikkel beveger seg med, så har de et uendelig antall mulige alternativer på et gitt tidspunkt. Bare sannsynlighet betyr noe.
En lignende situasjon eksisterer i kvanteverdenen:kvantemekaniske partikler kan samtidig ha alle potensielt mulige egenskaper. Dette gjør tilstandsrommet til kvantemekaniske systemer utrolig stort. For å modellere interaksjonen mellom kvantepartikler med hverandre, er det nødvendig å ta hensyn til alle deres varianttilstander. Og det er utrolig vanskelig.
Poenget er at datakraveneøke eksponentielt med antall partikler. Hvis du tar mer enn 40 partikler, vil selv de raskeste superdatamaskinene ikke kunne takle dem. Dette er en av de største utfordringene innen kvantefysikk.
Hvordan forenkle oppgaven?
I den nye studien brukte forskeremetoder fra feltet maskinlæring - kunstige nevrale nettverk. Med deres hjelp er det mulig å omformulere den kvantemekaniske tilstanden, slik at den kan kontrolleres av datamaskiner.
Kunstig intelligens digital transformasjonskonsept. Foto: rawpixel.com
Ved å bruke denne metoden undersøkte fysikere viktigeen teoretisk prediksjon som så langt har vært uklar er kvante-Kibble-Zurek-mekanismen. Den beskriver den dynamiske oppførselen til fysiske systemer under den såkalte kvantefaseovergangen. Et enkelt eksempel på faseendring er når vann blir til is. Et annet eksempel er avmagnetisering av en magnet ved høye temperaturer.
Men hvis du gjør det motsatte og omvendt,og avkjøl materialet, vil magneten igjen begynne å "arbeide" under en viss kritisk temperatur. Dette skjer imidlertid ujevnt i hele materialet. I stedet lages mange små magneter samtidig med deres nord- og sørpoler justert forskjellig. Som et resultat er den resulterende magneten faktisk en mosaikk av mange forskjellige mindre magneter. I tillegg vil den være defekt.
Tidligere, i en annen studie, bekreftet forskereKibble-Zurek-skalering for defektdannelse i et nematisk flytende krystallsystem. Der ble overgangen fra en homogen tilstand til en defekt tilstand oppnådd ved hjelp av et elektrisk felt. Skalaindeksen α=1/2 ble oppnådd for ulike materialer og er ikke avhengig av temperatur.
Kilde: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Kibble Mechanism—Zurek er oppkalt etterTom V. B. Kibble, som var en pioner innen studiet av domenestrukturdannelse i det tidlige universet, og Wojciech H. Zurek, som relaterte antall defekter som ble opprettet til de kritiske parameterne for overgangen og dens hastighet.
Kibble-Zurek-mekanismen forutsier hvor myeDisse feilene er å forvente. Enkelt sagt, hvor mange minimagneter vil materialet til slutt bestå av? Det er bemerkelsesverdig at antallet av disse defektene er universelt og derfor ikke er avhengig av mikroskopiske detaljer. Dette betyr at mange forskjellige materialer oppfører seg på nøyaktig samme måte, selv om deres mikroskopiske sammensetning er helt annerledes.
Kibble-Zurek-mekanismen og dannelsen av galakser etter Big Bang
Opprinnelig ble Kibble-Zurek-mekanismen introdusertå forklare dannelsen av struktur i universet. Etter Big Bang var det i utgangspunktet helt homogent, noe som betyr at alt innholdet ble fordelt jevnt. I lang tid var det uklart hvordan galakser, stjerner eller planeter kunne dannes fra en så homogen tilstand.
I denne sammenhengen Kibble-Zurek-mekanismenhjelper deg å forstå hva som skjedde. Etter hvert som universet ble avkjølt, utviklet defekter seg som magneter. Og hvis disse prosessene i den makroskopiske verden er godt studert, er det én type faseoverganger som den ennå ikke er testet på. Vi snakker spesifikt om kvantefaseoverganger.
Universutvidelse, 3D-gjengivelse. Foto: angel_nt
Problemet er at de bare eksisterer nårabsolutt null temperatur: −273 °C. Dette betyr at faseovergangen ikke skjer under avkjøling, men på grunn av en endring i interaksjonsenergien. For eksempel når trykket endres."
Hva har forskerne gjort?
I en ny studie modellerte forskereen slik kvantefaseovergang på en superdatamaskin (ved hjelp av kunstige nevrale nettverk). Dermed viste de for første gang at Kibble-Zurek-mekanismen, som forklarer universets fødsel, også er anvendelig i kvanteverdenen. Som studieforfatterne bemerker, var dette funnet «ikke åpenbart». Det tok mye arbeid å bevise dem. Den nye forskningen vil tillate fysikere å bedre beskrive dynamikken til kvantemekaniske systemer til mange partikler. Og derfor for å mer nøyaktig forstå reglene som styrer denne eksotiske verden.
Les mer:
Et monster sort hull ble funnet i "bakgården" på jorden: det er veldig nær planeten vår
NASA avslørte opprinnelsen til Haumea - den mest mystiske planeten i solsystemet
Webb fotograferte skapelsens søyler. Sammenlign hvordan Hubble skjøt dem før
På forsiden: NASAs Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab