Obliczenia, które chcieli przeprowadzić naukowcy, były tak skomplikowane, że nawet superkomputery nie były w stanie tego zrobić.
Jak działa świat kwantowy?
Oblicz ruch jednej kuli bilardowejstosunkowo proste. Jednak przewidywanie trajektorii miliona cząstek gazu w statku, które nieustannie zderzają się, hamują i odchylają, jest znacznie trudniejsze. Jeśli nie jest jasne, z jaką prędkością porusza się każda cząstka, wówczas w dowolnym momencie mają nieskończoną liczbę możliwych opcji. Liczy się tylko prawdopodobieństwo.
Podobna sytuacja ma miejsce w świecie kwantowym:cząstki mechaniki kwantowej mogą jednocześnie posiadać wszystkie potencjalnie możliwe właściwości. To sprawia, że przestrzeń stanów układów mechaniki kwantowej jest niezwykle duża. Aby modelować wzajemne oddziaływanie cząstek kwantowych, należy uwzględnić wszystkie ich stany wariantowe. I jest to niesamowicie trudne.
Chodzi o to, że wymagania obliczeniowerosną wykładniczo wraz z liczbą cząstek. Jeśli weźmiesz więcej niż 40 cząstek, to nawet najszybsze superkomputery nie będą w stanie sobie z nimi poradzić. Jest to jedno z największych wyzwań fizyki kwantowej.
Jak uprościć zadanie?
W nowym badaniu naukowcy wykorzystalimetody z zakresu uczenia maszynowego – sztuczne sieci neuronowe. Za ich pomocą możliwe jest przeformułowanie stanu mechaniki kwantowej, dzięki czemu będzie można go kontrolować komputerowo.
Koncepcja transformacji cyfrowej sztucznej inteligencji. Zdjęcie: rawpixel.com
Korzystając z tej metody, fizycy zbadali ważneteoretycznym przewidywaniem, które jak dotąd pozostawało niejasne, jest kwantowy mechanizm Kibble'a-Zurka. Opisuje dynamiczne zachowanie układów fizycznych podczas tzw. kwantowego przejścia fazowego. Prostym przykładem zmiany fazowej jest przemiana wody w lód. Innym przykładem jest rozmagnesowanie magnesu w wysokich temperaturach.
Ale jeśli zrobisz odwrotnie i odwrotnie,i ochłodzi materiał, magnes ponownie zacznie „pracować” poniżej pewnej temperatury krytycznej. Dzieje się to jednak nierównomiernie w całym materiale. Zamiast tego powstaje jednocześnie wiele małych magnesów, których bieguny północny i południowy są ustawione w różny sposób. W rezultacie powstały magnes jest w rzeczywistości mozaiką wielu różnych mniejszych magnesów. Poza tym będzie wadliwy.
Wcześniej w innym badaniu naukowcy potwierdziliSkalowanie Kibble'a-Zurka do tworzenia defektów w nematycznym układzie ciekłokrystalicznym. Tam przejście ze stanu jednorodnego do stanu wadliwego osiągnięto za pomocą pola elektrycznego. Wskaźnik skali α=1/2 uzyskano dla różnych materiałów i nie zależy on od temperatury.
Źródło: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Mechanizm Kibble’a – jego imię nosi ŻurekTomek V. B. Kibble’a, który był pionierem w badaniu powstawania struktury domenowej we wczesnym Wszechświecie, oraz Wojciecha H. Żurka, który powiązał liczbę powstałych defektów z parametrami krytycznymi przejścia i jego szybkością.
Mechanizm Kibble’a-Zurka przewiduje, iletych wad należy się spodziewać. Mówiąc najprościej, z ilu minimagnesów będzie ostatecznie składać się materiał? Warto zauważyć, że liczba tych wad jest uniwersalna i dlatego nie zależy od szczegółów mikroskopowych. Oznacza to, że wiele różnych materiałów zachowuje się dokładnie w ten sam sposób, nawet jeśli ich mikroskopijny skład jest zupełnie inny.
Mechanizm Kibble'a-Zurka i powstawanie galaktyk po Wielkim Wybuchu
Początkowo wprowadzono mechanizm Kibble-Zurekwyjaśnić powstawanie struktur we Wszechświecie. Po Wielkim Wybuchu był początkowo całkowicie jednorodny, co oznacza, że cała zawarta w nim materia była równomiernie rozłożona. Przez długi czas nie było jasne, w jaki sposób galaktyki, gwiazdy i planety mogą powstać z tak jednorodnego stanu.
W tym kontekście mechanizm Kibble’a-Żurkapomaga zrozumieć, co się stało. Gdy Wszechświat się ochładzał, defekty rozwijały się niczym magnesy. A jeśli dobrze zbadamy te procesy w świecie makroskopowym, istnieje jeden rodzaj przejść fazowych, na którym nie można było jeszcze go przetestować. Mówimy konkretnie o kwantowych przejściach fazowych.
Ekspansja wszechświata, renderowanie 3D. Zdjęcie: angel_nt
Problem w tym, że istnieją tylko wtedy, gdytemperatura zera absolutnego: −273 °C. Oznacza to, że przejście fazowe nie następuje podczas chłodzenia, ale w wyniku zmiany energii oddziaływania. Na przykład, gdy zmienia się ciśnienie.
Co zrobili naukowcy?
W nowym badaniu naukowcy stworzyli modeltakie kwantowe przejście fazowe na superkomputerze (przy pomocy sztucznych sieci neuronowych). Tym samym po raz pierwszy pokazali, że mechanizm Kibble'a-Zurka, który wyjaśnia narodziny Wszechświata, ma zastosowanie także w świecie kwantowym. Jak zauważają autorzy badania, odkrycie to „nie było oczywiste”. Udowodnienie ich wymagało wiele wysiłku. Nowe badania pozwolą fizykom lepiej opisać dynamikę układów mechaniki kwantowej wielu cząstek. A co za tym idzie, aby dokładniej zrozumieć zasady rządzące tym egzotycznym światem.
Czytaj więcej:
Na „podwórku” Ziemi znaleziono potworną czarną dziurę: jest bardzo blisko naszej planety
NASA ujawniła pochodzenie Haumei - najbardziej tajemniczej planety w Układzie Słonecznym
Webb sfotografował Filary Stworzenia. Porównaj, jak Hubble strzelał do nich wcześniej
Na okładce: Laboratorium obrazów koncepcyjnych Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA