Beräkningarna som forskarna ville göra var så komplexa att inte ens superdatorer kunde göra det.
Hur fungerar kvantvärlden?
Beräkna rörelsen för en biljardbollrelativt enkelt. Men att förutsäga banorna för en miljon gaspartiklar i ett kärl, som ständigt kolliderar, bromsar och avleder, är mycket svårare. Om det inte är klart exakt vilken hastighet varje partikel rör sig med, så har de ett oändligt antal möjliga alternativ vid en given tidpunkt. Bara sannolikhet spelar roll.
En liknande situation finns i kvantvärlden:kvantmekaniska partiklar kan samtidigt besitta alla potentiellt möjliga egenskaper. Detta gör tillståndsutrymmet för kvantmekaniska system otroligt stort. För att modellera interaktionen mellan kvantpartiklar med varandra är det nödvändigt att ta hänsyn till alla deras varianttillstånd. Och det är otroligt svårt.
Poängen är att datorkravenökar exponentiellt med antalet partiklar. Om du tar mer än 40 partiklar kommer inte ens de snabbaste superdatorerna att klara av dem. Detta är en av de största utmaningarna inom kvantfysiken.
Hur förenklar man uppgiften?
I den nya studien använde forskaremetoder från området maskininlärning — artificiella neurala nätverk. Med deras hjälp är det möjligt att omformulera det kvantmekaniska tillståndet, vilket gör det styrbart av datorer.
Koncept för artificiell intelligens digital transformation. Foto: rawpixel.com
Med denna metod undersökte fysiker viktigaen teoretisk förutsägelse som hittills har förblivit oklar är kvantmekanismen Kibble-Zurek. Den beskriver det dynamiska beteendet hos fysiska system under den så kallade kvantfasövergången. Ett enkelt exempel på en fasförändring är när vatten förvandlas till is. Ett annat exempel är avmagnetiseringen av en magnet vid höga temperaturer.
Men om du gör tvärtom och vice versa,och kyler materialet kommer magneten igen att börja "arbeta" under en viss kritisk temperatur. Detta sker dock ojämnt i hela materialet. Istället skapas många små magneter samtidigt med deras nord- och sydpoler inriktade på olika sätt. Som ett resultat är den resulterande magneten faktiskt en mosaik av många olika mindre magneter. Dessutom kommer den att vara defekt.
Tidigare, i en annan studie, bekräftade forskareKibble-Zurek-skalning för defektbildning i ett nematiskt flytande kristallsystem. Där uppnåddes övergången från ett homogent tillstånd till ett defekt tillstånd med hjälp av ett elektriskt fält. Skalindex α=1/2 erhölls för olika material och beror inte på temperaturen.
Källa: https://doi.org/10.1002/cphc.201700023
Kibble Mechanism—Zurek är uppkallad efterTom V. B. Kibble, som var en pionjär inom studiet av domänstrukturbildning i det tidiga universum, och Wojciech H. Zurek, som relaterade antalet skapade defekter till de kritiska parametrarna för övergången och dess hastighet.
Kibble-Zurek-mekanismen förutsäger hur mycketav dessa defekter är att vänta. Enkelt uttryckt, hur många minimagneter kommer materialet i slutändan att bestå av? Det är anmärkningsvärt att antalet av dessa defekter är universellt och därför inte beror på mikroskopiska detaljer. Det betyder att många olika material beter sig på exakt samma sätt, även om deras mikroskopiska sammansättning är helt olika.
Kibble-Zurek-mekanismen och bildandet av galaxer efter Big Bang
Inledningsvis introducerades Kibble-Zurek-mekanismenatt förklara bildandet av struktur i universum. Efter Big Bang var det till en början helt homogent, vilket innebär att allt innehållande material var jämnt fördelat. Under lång tid var det oklart hur galaxer, stjärnor eller planeter kunde bildas från ett så homogent tillstånd.
I detta sammanhang Kibble-Zurek-mekanismenhjälper dig att förstå vad som hände. När universum svalnade utvecklades defekter som magneter. Och om dessa processer i den makroskopiska världen är väl studerade, finns det en typ av fasövergångar som det ännu inte har varit möjligt att testa på. Vi talar specifikt om kvantfasövergångar.
Universumsexpansion, 3D-rendering. Foto: angel_nt
Problemet är att de bara finns närabsolut nolltemperatur: −273 °C. Detta innebär att fasövergången inte sker under kylning, utan på grund av en förändring i interaktionsenergin. Till exempel när trycket ändras.”
Vad har forskarna gjort?
I en ny studie modellerade forskareen sådan kvantfasövergång på en superdator (med hjälp av artificiella neurala nätverk). Således visade de för första gången att Kibble-Zurek-mekanismen, som förklarar universums födelse, även är tillämpbar i kvantvärlden. Som studieförfattarna noterar var detta fynd "inte uppenbart". Det tog mycket ansträngning att bevisa dem. Den nya forskningen kommer att tillåta fysiker att bättre beskriva dynamiken i kvantmekaniska system för många partiklar. Och därför för att mer exakt förstå reglerna som styr denna exotiska värld.
Läs mer:
Ett monstersvart hål hittades i jordens "bakgård": det är mycket nära vår planet
NASA avslöjade ursprunget till Haumea - den mest mystiska planeten i solsystemet
Webb fotograferade skapelsens pelare. Jämför hur Hubble sköt dem tidigare
På omslaget: NASA:s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab