Calculele pe care oamenii de știință doreau să le efectueze erau atât de complexe încât nici măcar supercalculatoarele nu puteau face acest lucru.
Cum funcționează lumea cuantică?
Calculați mișcarea unei mingi de biliardrelativ simplu. Dar prezicerea traiectoriilor unui milion de particule de gaz dintr-o navă, care se ciocnesc, frânează și se devia în mod constant, este mult mai dificilă. Dacă nu este clar exact cu ce viteză se mișcă fiecare particulă, atunci acestea au un număr infinit de opțiuni posibile la un moment dat în timp. Doar probabilitatea contează.
O situație similară există în lumea cuantică:particulele mecanice cuantice pot poseda simultan toate proprietățile posibile. Acest lucru face ca spațiul de stare al sistemelor mecanice cuantice să fie incredibil de mare. Pentru a modela interacțiunea particulelor cuantice între ele, este necesar să se ia în considerare toate stările lor variante. Și este incredibil de dificil.
Ideea este că cerințele de calculcrește exponențial cu numărul de particule. Dacă luați mai mult de 40 de particule, atunci nici cele mai rapide supercomputere nu le vor putea face față. Aceasta este una dintre cele mai mari provocări ale fizicii cuantice.
Cum să simplificăm sarcina?
În noul studiu, oamenii de știință au folositmetode din domeniul învățării automate — rețele neuronale artificiale. Cu ajutorul lor, este posibil să se reformuleze starea mecanică cuantică, făcând-o controlabilă de computere.
Conceptul de transformare digitală de inteligență artificială. Foto: rawpixel.com
Folosind această metodă, fizicienii au investigat importanteo predicție teoretică care până acum a rămas neclară este mecanismul cuantic Kibble-Zurek. Descrie comportamentul dinamic al sistemelor fizice în timpul așa-numitei tranziții de fază cuantică. Un exemplu simplu de schimbare de fază este atunci când apa se transformă în gheață. Un alt exemplu este demagnetizarea unui magnet la temperaturi ridicate.
Dar dacă faci invers și invers,și răcește materialul, magnetul va începe din nou să „lucreze” sub o anumită temperatură critică. Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă în mod neuniform pe tot materialul. În schimb, mulți magneți mici sunt creați simultan, cu polii lor nord și sud aliniați diferit. Ca rezultat, magnetul rezultat este de fapt un mozaic de mulți magneți mai mici diferiți. În plus, va fi defect.
Anterior, într-un alt studiu, oamenii de știință au confirmatScalare Kibble-Zurek pentru formarea defectelor într-un sistem nematic cu cristale lichide. Acolo, trecerea de la o stare omogenă la o stare defectuoasă s-a realizat folosind un câmp electric. Indicele de scară α=1/2 a fost obținut pentru diverse materiale și nu depinde de temperatură.
Sursa: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Mecanismul Kibble—Zurek poartă numeleTom V. B. Kibble, care a fost un pionier în studiul formării structurii domeniilor în Universul timpuriu, și Wojciech H. Zurek, care a legat numărul de defecte create cu parametrii critici ai tranziției și viteza acesteia.
Mecanismul Kibble-Zurek prezice cât de multdintre aceste defecte sunt de așteptat. Mai simplu spus, din câți mini-magneți va consta în cele din urmă materialul? Este de remarcat faptul că numărul acestor defecte este universal și, prin urmare, nu depinde de detaliile microscopice. Aceasta înseamnă că multe materiale diferite se comportă exact în același mod, chiar dacă compoziția lor microscopică este complet diferită.
Mecanismul Kibble-Zurek și formarea galaxiilor după Big Bang
Inițial, a fost introdus mecanismul Kibble-Zurekpentru a explica formarea structurii în Univers. După Big Bang, a fost inițial complet omogen, ceea ce înseamnă că toată materia care o conținea a fost distribuită uniform. Multă vreme nu a fost clar cum se pot forma galaxii, stele sau planete dintr-o stare atât de omogenă.
În acest context, mecanismul Kibble-Zurekte ajută să înțelegi ce s-a întâmplat. Pe măsură ce Universul s-a răcit, defectele s-au dezvoltat ca niște magneți. Și, dacă aceste procese din lumea macroscopică sunt bine studiate, există un tip de tranziții de fază pe care nu a fost încă testat. Vorbim în special despre tranzițiile de fază cuantică.
Expansiunea universului, randare 3D. Fotografie: angel_nt
Problema este că ele există doar cândtemperatura zero absolut: −273 °C. Aceasta înseamnă că tranziția de fază nu are loc în timpul răcirii, ci datorită unei modificări a energiei de interacțiune. De exemplu, când presiunea se schimbă.”
Ce au făcut oamenii de știință?
Într-un nou studiu, oamenii de știință au modelato astfel de tranziție de fază cuantică pe un supercomputer (cu ajutorul rețelelor neuronale artificiale). Astfel, ei au arătat pentru prima dată că mecanismul Kibble-Zurek, care explică nașterea Universului, este aplicabil și în lumea cuantică. După cum notează autorii studiului, această constatare „nu a fost evidentă”. A fost nevoie de mult efort pentru a le dovedi. Noua cercetare le va permite fizicienilor să descrie mai bine dinamica sistemelor mecanice cuantice a multor particule. Și, prin urmare, să înțelegem mai precis regulile care guvernează această lume exotică.
Citeste mai mult:
O gaură neagră monstru a fost găsită în „curtea din spate” a Pământului: este foarte aproape de planeta noastră
NASA a dezvăluit originea Haumea - cea mai misterioasă planetă din sistemul solar
Webb a fotografiat Stâlpii Creației. Comparați cum Hubble le-a împușcat înainte
Pe copertă: Laboratorul de imagini conceptuale Goddard Space Flight Center al NASA