Os cálculos que os cientistas queriam realizar eram tão complexos que nem mesmo os supercomputadores conseguiam fazê-lo.
Como funciona o mundo quântico?
Calcule o movimento de uma bola de bilharrelativamente simples. Mas prever as trajetórias de um milhão de partículas de gás em uma embarcação, que estão constantemente colidindo, freando e desviando, é muito mais difícil. Se não estiver claro exatamente a que velocidade cada partícula está se movendo, então elas terão um número infinito de opções possíveis em qualquer momento. Apenas a probabilidade importa.
Uma situação semelhante existe no mundo quântico:partículas da mecânica quântica podem possuir simultaneamente todas as propriedades potencialmente possíveis. Isso torna o espaço de estados dos sistemas de mecânica quântica incrivelmente grande. Para modelar a interação das partículas quânticas entre si, é necessário levar em consideração todos os seus estados variantes. E é incrivelmente difícil.
A questão é que os requisitos de computaçãoaumenta exponencialmente com o número de partículas. Se você pegar mais de 40 partículas, mesmo os supercomputadores mais rápidos não serão capazes de lidar com elas. Este é um dos maiores desafios da física quântica.
Como simplificar a tarefa?
No novo estudo, os cientistas usarammétodos do campo de aprendizado de máquina – redes neurais artificiais. Com a ajuda deles é possível reformular o estado da mecânica quântica, tornando-o controlável por computadores.
Conceito de transformação digital de inteligência artificial. Foto: rawpixel.com
Usando este método, os físicos investigaram importantesuma previsão teórica que até agora permaneceu obscura é o mecanismo quântico Kibble-Zurek. Descreve o comportamento dinâmico de sistemas físicos durante a chamada transição de fase quântica. Um exemplo simples de mudança de fase é quando a água se transforma em gelo. Outro exemplo é a desmagnetização de um ímã em altas temperaturas.
Mas se você fizer o oposto e vice-versa,e resfriar o material, o ímã começará a “funcionar” novamente abaixo de uma certa temperatura crítica. No entanto, isso ocorre de forma desigual em todo o material. Em vez disso, muitos pequenos ímanes são criados simultaneamente com os seus pólos norte e sul alinhados de forma diferente. Como resultado, o ímã resultante é na verdade um mosaico de muitos ímãs menores diferentes. Além disso, estará com defeito.
Anteriormente, em outro estudo, os cientistas confirmaramDimensionamento Kibble-Zurek para formação de defeitos em um sistema de cristal líquido nemático. Lá, a transição de um estado homogêneo para um estado defeituoso foi conseguida por meio de um campo elétrico. O índice de escala α=1/2 foi obtido para diversos materiais e não depende da temperatura.
Fonte: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
O Mecanismo Kibble - Zurek recebeu o nomeTom V.B. Kibble, que foi um pioneiro no estudo da formação de estruturas de domínio no Universo primordial, e Wojciech H. Zurek, que relacionou o número de defeitos criados aos parâmetros críticos da transição e à sua velocidade.
O mecanismo Kibble-Zurek prevê quantodesses defeitos são esperados. Simplificando, em quantos miniímãs o material consistirá? Vale ressaltar que o número desses defeitos é universal e, portanto, não depende de detalhes microscópicos. Isto significa que muitos materiais diferentes se comportam exatamente da mesma maneira, mesmo que a sua composição microscópica seja completamente diferente.
O mecanismo Kibble-Zurek e a formação de galáxias após o Big Bang
Inicialmente, o mecanismo Kibble-Zurek foi introduzidopara explicar a formação da estrutura do Universo. Após o Big Bang, inicialmente era completamente homogêneo, o que significa que toda a matéria que o continha estava distribuída uniformemente. Durante muito tempo não ficou claro como é que galáxias, estrelas ou planetas se podiam formar a partir de um estado tão homogéneo.
Neste contexto, o mecanismo Kibble-Zurekajuda você a entender o que aconteceu. À medida que o Universo esfriava, os defeitos se desenvolveram como ímãs. E, se esses processos no mundo macroscópico forem bem estudados, existe um tipo de transições de fase nas quais ainda não foi possível testá-lo. Estamos falando especificamente sobre transições de fase quânticas.
Expansão do universo, renderização em 3D. Foto: angel_nt
O problema é que eles só existem quandotemperatura zero absoluto: −273 °C. Isso significa que a transição de fase não ocorre durante o resfriamento, mas devido a uma mudança na energia de interação. Por exemplo, quando a pressão muda.”
O que os cientistas fizeram?
Em um novo estudo, os cientistas modelaramtal transição de fase quântica em um supercomputador (com a ajuda de redes neurais artificiais). Assim, mostraram pela primeira vez que o mecanismo Kibble-Zurek, que explica o nascimento do Universo, também é aplicável no mundo quântico. Como observam os autores do estudo, essa descoberta “não era óbvia”. Foi preciso muito esforço para prová-los. A nova pesquisa permitirá aos físicos descrever melhor a dinâmica dos sistemas da mecânica quântica de muitas partículas. E, portanto, compreender com mais precisão as regras que regem este mundo exótico.
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