Uusi tutkimus sitoo suurikokoisten materiaalilevyjen vääntymisen maailmankaikkeudessa Schrodinger-yhtälöön, joka kuvaa atomien ja subatomien esineiden kvantmekaanista käyttäytymistä.
(Kuva: © James Tuttle Keane / Kalifornian teknillinen instituutti)
Valtavat tähtileikkeet tai roskat voivat toimia samojen sääntöjen mukaisesti kuin alaatomiset hiukkaset, muuttuen perustuen Schrodinger-yhtälöön, jota fyysikot käyttävät kvantmekaanisten järjestelmien mallintamiseen.
Avaruusrakenteiden tarkasteleminen tällä yhtälöllä voi antaa uutta tietoa galaksien kehityksestä, samoin kuin paljastaa vihjeitä varhaisen aurinkokunnan mekaniikasta ja kaukana olevia planeettoja kiertävien renkaiden toiminnasta, uusi tutkimus raportoi.
Uuden tutkimuksen kirjoittaja, Kalifornian teknologiainstituutin tutkija Konstantin Batygin, ei ollut odottanut löytävänsä kyseistä yhtälöä tutkiessaan näitä astrofysiikkalevyjä. "Tuolloin olin täysin lattialla", Batygin kertoi Space.com: lle. "Odotin, että säännöllinen aaltoyhtälö ilmestyy, jotain merkkijonoa tai jotain sellaista. Ja sen sijaan saan tämän yhtälön, joka on todella kvanttimekaniikan kulmakivi." [Planeetta rakentava "lentävä lautanen" -levy on yllättävän viileä (Video)]
Schrodingerin yhtälöä käyttämällä fyysikot voivat tulkita atomien ja alaatomien asteikkojen järjestelmien vuorovaikutusta sekä aaltojen että hiukkasten muodossa - kvanttimekaniikan avainkäsite, joka kuvaa näiden järjestelmien joskus epäinformatiivista käyttäytymistä. Osoittautuu, että astrofyysisten levyjen vääntyminen voi toimia myös hiukkasina.
"Jälkikäteen tarkastellessani ongelmaa nyt, olen yllättynyt siitä, kuinka en vain uskonut, että se oli se mitä tulee olemaan", sanoi Batygin, joka tunnetaan kenties tunnetuimmin (maallikoille joka tapauksessa) yhteistyöstä. kirjoittaen vuoden 2016 tutkimuksen yhdessä Caltech-tutkijan Mike Brownin kanssa, joka löysi todisteita mahdollisesta löytämättömästä "planeetan yhdeksästä" ulkoisen aurinkokunnan pimeässä syvyydessä.
Tuulahdus menneisyydestä
Batygin löysi yhteyden opettaessaan luokkaa. Hän yritti selittää, kuinka aallot kulkevat laajojen levyjen läpi, jotka ovat avaruusarkkitehtuurin peruskivi - esimerkiksi sellaiset levyt on rakennettu tähtiä galaksin keskustan supermassiivisten mustien reikien ympärille ja valmistettu pölystä ja roskista vastasyntyneessä tähtijärjestelmässä. Levyt taipuvat ja vääntyvät monimutkaisella tavalla, jota nykyinen mallinnus ei pysty käsittelemään kaikissa aikatauluissa. Tutkijat voivat laskea toimintansa hyvin lyhyillä aikaväleillä, kuten mitä tapahtuu muutamalla kiertoradalla, samoin kuin miten ne jakautuvat koko elinajan, mutta ei miten ja miksi ne muuttuvat satojen tuhansien vuosien luokkaa.
"Asioita voi tapahtua, ja et oikein tiedä miksi - se on monimutkainen järjestelmä, joten näet vain tavaroiden aukeamisen, jonkinlaisen dynaamisen evoluution aukeamisen", Batygin sanoi. "Ellei sinulla ole tätä hirveän monimutkaista fyysistä intuitiota, et vain ymmärrä mitä simulaatiossasi tapahtuu."
Levyn kehityksen seuraamiseksi Batygin lainasi temppu 1770-luvulta: laskemalla tapa, jolla matemaatikot Joseph-Louis Lagrange ja Pierre-Simon Laplani mallitsivat aurinkokunnan sarjaksi jättiläisilmukoita, jotka seuraavat planeettojen kiertoratoja. Vaikka malli ei ollut hyödyllinen muutaman auringon ympärillä olevan virtapiirin lyhyessä ajassa, se pystyi kuvaamaan kiertoratojen vuorovaikutusta ajan mittaan tarkasti.
Yksittäisten planeettojen kiertoratojen mallinnuksen sijasta Batygin käytti sarjaa ohuempia ja ohuempia renkaita edustamaan astrofüüsisen levyn eri kappaleita, kuten sipulin kerroksia, jotka kukin sidottiin kyseisen alueen kiertävien kappaleiden massaan. Renkaiden gravitaatiovuorovaikutukset toistensa kanssa voisi mallintaa kuinka levy vääntyisi ja muuttuisi.
Ja kun järjestelmä muuttui liian monimutkaiseksi laskeaksesi kädellä tai tietokoneella lisättäessä enemmän renkaita, hän käytti matemaattista pikakuvaketta muuntaakseen kuvaamaan ääretöntä määrää ääretön ohut rengas.
"Tämä on vain laajalti tunnettu matemaattinen tulos, jota käytetään fysiikassa vasemmalle ja oikealle", Batygin sanoi. Mutta silti, jotenkin kukaan ei ollut ottanut harppaus mallintaa astrofyysinen levy tällä tavalla.
"Minulle on todella merkittävää, että kukaan ei ole koskaan hämärtänyt renkaita jatko-osaan koskaan", hän sanoi. "Se näyttää jälkikäteen niin ilmeiseltä, enkä tiedä miksi en ajatellut sitä ennemmin."
Kun Batygin suoritti nämä laskelmat, hän havaitsi syntyvän yhtälön yllättävän tutulta.
"Tietenkin, nämä kaksi liittyvät toisiinsa, eikö? Kvanttimekaniikassa käsittelet hiukkasia aaltoina", hän sanoi. "Takautuvasti se on tavallaan melkein intuitiivista, että saisit jotain Schrodingerin yhtälöä, mutta tuolloin olin todella yllättynyt." Yhtälö on ilmestynyt yllättäen aiemmin, hän lisäsi - esimerkiksi merien aaltojen kuvauksiin sekä tapaan, jolla valo liikkuu tiettyjen epälineaaristen välineiden läpi.
"Tutkimukseni osoittaa, että astrofysikaalisten levyjen pitkäaikainen käyttäytyminen, tapa, jolla ne taipuvat ja vääntyvät, liittyy tähän ryhmään klassisia konteksteja, jotka voidaan ymmärtää olennaisesti kvanttipuitteissa", Batygin sanoi.
Uudet tulokset herättävät mielenkiintoisen analogian näiden kahden tilanteen välillä: Tapa, jolla aallot kulkevat astrofyysisten kiekkojen läpi, palautuvat pois sisä- ja ulkoreunoista, vastaa sitä, kuinka yksi kvantihiukkanen kimpoaa edestakaisin kahden seinän välillä, hän sanoi.
Tämän vastaavuuden löytämisellä on yksi mielenkiintoinen seuraus: Batygin pystyi lainaamaan osan tutkijoista, jotka ovat jo tutkineet ja käsitellyt tätä kvanttitilannetta laajasti, ja tulkitsemaan sitten yhtälöä tässä uudessa yhteydessä ymmärtääksesi kuinka levyt reagoivat ulkoisiin vetovoimiin ja häiriöiden.
"Fyysikoilla on paljon kokemusta Schrodinger-yhtälöstä. Se tulee nyt 100 vuotta vanhaksi", sanoi Yalen yliopiston astrofysiikko Greg Laughlin, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, Space.com kertoi. "Ja paljon erittäin syvää ajattelua on tullut ymmärtämään sen seurauksia. Ja niin, että koko rakennusta voidaan nyt soveltaa levyjen evoluutioon."
"Ja minualaiselle henkilölle - jolla on tosin parempi käsitys, vaikkakin se on epätäydellinen, siitä, mitä ensisijaiset levyt tekevät - tämä antaa myös mahdollisuuden mennä toiseen suuntaan ja ehkä saada syvemmän kuvan kvantijärjestelmistä käyttämällä levyn analogiaa", hän lisätty. "Uskon, että se herättää paljon huomiota ja kiinnostusta, luultavasti surullisuutta. Ja viime kädessä uskon, että siitä tulee todella mielenkiintoinen kehitys."
Ymmärryksen kehys
Batygin odottaa yhtälön soveltamista astrofysiikkalevyjen monien eri puolien ymmärtämiseen.
"Se mitä olen esittänyt tässä asiakirjassa, on kehys", Batygin sanoi. "Olen hyökännyt yhteen tiettyyn ongelmaan, joka on levyjäykkyysongelma - missä määrin levy voi pysyä painovoimaisesti jäykänä ulkoisten häiriöiden aikana. Tarjolla on laaja valikoima lisäsovelluksia, joita tutkin tällä hetkellä."
Yksi esimerkki on roskalevyn kehitys, joka lopulta muodosti aurinkokuntamme, Batygin sanoi. Toinen on rengasten dynamiikka ekstrasolaaristen planeettojen ympärillä. Ja kolmasosa on tähtilevy, joka ympäröi mustaa reikää Linnunradan keskellä, joka itsessään on hyvin taipunut.
Laughlin totesi, että työn tulisi olla erityisen hyödyllistä tutkijoiden ymmärtämisen parantamiseksi vastasyntyneiden tähtijärjestelmistä, koska niitä on vaikeampi tarkkailla kaukaa ja tutkijat eivät tällä hetkellä pysty simuloimaan niiden kehitystä alusta loppuun.
"Matemaattiset puitteet, jotka Konstantin on koonnut, on hyvä esimerkki jostakin, joka todella auttaa meitä ymmärtämään, kuinka satojen tuhansien kiertoradat esineet, kuten planeetan muodostava levy, käyttäytyvät", hän sanoi.
Michiganin yliopiston astrofysiikan tutkijan Fred Adamsin mukaan, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, tämä uusi työ on hyödyllisin järjestelmille, joissa suurten gravitaatiotehosteiden vaikutus loppuu. Järjestelmille, joissa on monimutkaisempia painovoimavaikutuksia, kuten galakseihin, joilla on hyvin selkeät spiraalivarret, tarvitaan jokin muu mallintamisstrategia. Mutta tämän luokan ongelmille, se on mielenkiintoinen variaatio lähestyttävien aaltojen astrofysiikan levyissä, hän sanoi.
"Minkä tahansa alan tutkimus, mukaan lukien ympyrälevyt, hyötyy aina uusien työkalujen kehittämisestä ja käytöstä", Adams sanoi. "Tämä artikkeli edustaa uuden analyyttisen työkalun tai uuden kierroksen kehittämistä vanhemmille työkaluille riippuen siitä, kuinka katsot sitä. Joka tapauksessa se on toinen pala suuremmasta palapelissä."
Kehys antaa tutkijoiden ymmärtää rakenteita, jotka tähtitieteilijät näkevät yötaivaalla uudella tavalla: Vaikka nämä levyt muuttuvat huomattavasti pidempinä ajanjaksoina kuin ihmiset voivat tarkkailla, yhtälöä voidaan käyttää selvittämään, kuinka järjestelmä pääsi näkemykseen pisteeseen tänään ja miten se voi muuttua tulevaisuudessa, Batygin sanoi. Ja se kaikki perustuu matematiikkaan, joka kuvaa yleensä uskomattoman nopeaa, ohikiitävää vuorovaikutusta.
"Siellä on tämä kiehtova vastavuoroisuus matemaattisten seikkojen välillä, jotka ohjaavat subatomisen maailman käyttäytymistä, ja matematiikan välillä, joka ohjaa näiden tähtitieteellisten asioiden käyttäytymistä [ja] pitkäaikaisessa kehityksessä, jotka ilmestyvät paljon, paljon pidempään ajanjaksoon", hän lisäsi. "Se on mielestäni huomattava ja kiehtova seuraus."
Uusi teos oli yksityiskohtaisesti tänään (5. maaliskuuta) Royal Astronomical Society -lehden Monthly Notices -lehdessä.
