Рождение нашей Вселенной объединили с квантовым миром: как это изменит физику

Вычисления, которые хотели провели ученые были настолько сложны, что не были под силу даже суперкомпьютерам. Но физики «поменяли правила игры». Они в разы упростили вычисления, используя методы из области машинного обучения. Исследование улучшает понимание фундаментальных принципов квантового мира. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Как работает квантовый мир?

Рассчитать движение одного бильярдного шара относительно просто. Но предсказать траектории миллион частиц газа в сосуде, которые постоянно сталкиваются, тормозят и отклоняются, гораздо сложнее. Если неясно, с какой именно скоростью движется каждая частица, то у них есть бесчисленное количество возможных вариантов на любой данный момент времени. Важна только вероятность.

Аналогичная ситуация и в квантовом мире: квантово-механические частицы могут одновременно обладать всеми потенциально возможными свойствами. Это делает пространство состояний квантово-механических систем невероятно большим. Чтобы смоделировать взаимодействие квантовых частиц друг с другом, необходимо учитывать все их варианты состояний. И это невероятно сложно.

Дело в том, что вычислительные требования возрастают экспоненциально с ростом количества частиц. Если взять больше 40 частиц, то даже самые быстрые суперкомпьютеры не в состоянии с ними справиться. Это одна из величайших задач квантовой физики.

Как упростить задачу?

В рамках нового исследования ученые использовали методы из области машинного обучения — искусственные нейронные сети. С их помощью можно переформулировать квантово-механическое состояние, что делает его управляемым для компьютеров.

Используя этот метод, физики исследовали важное теоретическое предсказание, которое до сих пор оставалось невыясненным, — квантовый механизм Киббла — Зурека. Он описывает динамическое поведение физических систем при так называемом квантовом фазовом переходе. Простой пример фазового перехода — когда вода превращается в лед. Другой пример — размагничивание магнита при высоких температурах.

Но если сделать обратное и, наоборот, и охладить материал, магнит снова начнет «работать» ниже определенной критической температуры. Однако это происходит неравномерно по всему материалу. Вместо этого одновременно создается множество маленьких магнитов с по-разному выровненными северным и южным полюсами. В итоге, получившийся магнит на самом деле мозаика из множества разных магнитов меньшего размера. Кроме того, он будет дефектным.

Механизм Киббла — Зурека назван в честь Тома В. Б. Киббла , который был пионером в изучении формирования доменной структуры в ранней Вселенной, и Войцеха Х. Зурека, который связал количество создаваемых дефектов с критическими показателями перехода и с его скоростью.

Механизм Киббла — Зурека предсказывает, сколько из этих дефектов следует ожидать. Проще говоря, из скольких мини-магнитов в конечном итоге будет состоять материал. Примечательно, что число этих дефектов — универсально и, таким образом, не зависит от микроскопических деталей. А, значит, многие разные материалы ведут себя совершенно одинаково, даже если их микроскопический состав совершенно разный.

Механизм Киббла — Зурека и образование галактик после Большого взрыва

Первоначально механизм Киббла — Зурека ввели, чтобы объяснить формирование структуры во Вселенной. После Большого взрыва она, изначально, была полностью однородной, а, значит, вся вмещающая материя распределилась равномерно. Долгое время было неясно, как из такого однородного состояния могли образоваться галактики, звезды или планеты.

В этом контексте механизм Киббла — Зурека помогает понять, что произошло. По мере остывания Вселенной, дефекты развивались подобно магнитам. И, если эти процессы в макроскопическом мире хорошо изучены, есть один тип фазовых переходов, на котором еще не удалось его проверить. Речь идет именно о квантовых фазовых переходах.

Проблема в том, что они существуют только при температуре абсолютного нуля: это −273 °C. А, значит, фазовый переход происходит не при охлаждении, а за счет изменения энергии взаимодействия. Например, при изменении давления».

Что сделали ученые?

В рамках нового исследования ученые смоделировали такой квантовый фазовый переход на суперкомпьютере (как раз с помощью искусственных нейросетей). Таким образом, они впервые показали, что механизм Киббла — Зурека, который объясняет рождение Вселенной, применимо и в квантовом мире. Как отмечают авторы исследования, этот вывод был «не был очевидным». Требовалось немало усилий, чтобы доказать их. Новое исследование позволит физикам лучше описать динамику квантово-механических систем многих частиц. А, значит, более точно понять правила, которые управляют этим экзотическим миром.

Читать далее:

Черную дыру-монстр нашли на «заднем дворе» Земли: она очень близко к нашей планете

НАСА раскрыло происхождение Хаумеи — самой загадочной планеты Солнечной системы

«Уэбб» сфотографировал «Столпы Творения». Сравните, как их до этого снял «Хаббл»

_{На обложке: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab}