Наш веб-сайт использует файлы cookie, чтобы предоставить вам возможность просматривать релевантную информацию. Прежде чем продолжить использование нашего веб-сайта, вы соглашаетесь и принимаете нашу политику использования файлов cookie и конфиденциальность.
Международная группа физиков при участии Университета Аугсбурга впервые подтвердила важное теоретическое предсказание в квантовой физике, пишет Альтернативная наука.
Расчеты оказались настолько сложными, что их презентация демонстрировалась только на суперкомпьютерах.
Правда, ученым удалось значительно упростить работу, используя методы из области машинного обучения. Результаты улучшают понимание фундаментальных принципов квантового мира. Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Грубо упрощая, проблематика сводится к следующему.
Расчет траектории движения одного бильярдного шара относительно прост. Но предсказать траектории множества частиц газа, запертого в сталкивающихся сосудах, гораздо сложнее.
Больше того, абсолютно неясно, с какой именно скоростью движется каждая частица, так что в совокупности они обладают практически бесконечным множеством возможных скоростей, различающихся только вероятностью.
В квантовом мире ситуация аналогична: частицы могут даже одновременно иметь все потенциально возможные свойства. Пространство состояний квантово-механических систем чрезвычайно велико.
Если вы хотите смоделировать, как квантовые частицы взаимодействуют друг с другом, вы должны рассмотреть их полные пространства состояний.
"А это чрезвычайно сложно", - утверждает профессор Маркус Хейль из Института физики Университета Аугсбурга.
"Вычислительные усилия растут экспоненциально с увеличением числа частиц. При более чем 40 частицах они уже настолько велики, что даже самые быстрые суперкомпьютеры не в состоянии с ними справиться. Одна из грандиозных проблем квантовой физики".
Чтобы упростить возникшую проблему, группа Хейла использовала методы из области машинного обучения - искусственные нейронные сети. С их помощью можно переформулировать квантово-механическое состояние.
"Это делает проблему управляемой для компьютеров", - объясняет Хейл.
Используя новый метод, ученые исследовали важное теоретическое предсказание, которое до сих пор оставалось нерешенным - квантовый механизм Киббла-Зурека. Он описывает динамическое поведение физических систем при квантовом фазовом переходе.
Примером фазового перехода из макроскопического и более интуитивного мира является переход от воды ко льду. Другой пример - размагничивание магнита при высоких температурах.
Если пойти обратным путем и охладить материал, то ниже определенной критической температуры магнит опять становится магнитом.
Известно, что такого рода реанимационные процедуры не происходят одинаково по всему материалу. Одновременно образуется множество маленьких магнитов с противоположно расположенными северными и южными полюсами. Таким образом, новый старый магнит представляет собой мозаику из множества различных, более мелких магнитов. Физики также говорят, что он содержит дефекты.
Механизм Киббла-Зурека предсказывает, сколько таких дефектов следует ожидать (другими словами, из скольких мини-магнитов в конечном итоге состоит материал).
Особенно интересно то, что количество дефектов универсально и, следовательно, не зависит от микроскопических деталей.
Соответственно, многие материалы ведут себя совершенно одинаково, даже если их микроскопический состав различается.
Механизм Киббла-Зурека был первоначально введен для объяснения того, как формировалась метаструктура космоса.
Вселенная изначально была полностью однородной, то есть материя равномерно распределялась по вновь создаваемому пространству. Долгое время было непонятно, как из такого однородного состояния появились отдельные галактики, звезды или планеты.
Механизм Киббла-Зурека дает рациональное объяснение. Когда Вселенная остывала, дефекты развивались подобно магнитам, «собирая» первые звезды и галактики.
Но есть один тип фазовых переходов, для которого пока не удалось проверить справедливость механизма - а именно квантовые фазовые переходы, уже упоминавшиеся ранее.
"Они существуют только при температуре абсолютного нуля -273 градуса Цельсия", - разъясняет Хейл.
"Таким образом, фазовый переход происходит не при охлаждении, а через изменение энергии взаимодействия - можно подумать, например, давления".
Теперь ученые смоделировали такой квантовый фазовый переход на суперкомпьютере. Темболее, что механизм Киббла-Зурека применим и в квантовом мире.
"Что ни в коем случае не было очевидным", - говорит физик из Аугсбурга.
"Наше исследование позволяет лучше описать динамику квантово-механических систем из многих частиц и, следовательно, более точно понять правила, которые управляют этим экзотическим миром".
Дата: 26 сентября 2022
Автор:Василий Швецов
Поделиться с друзьями:
