Nauji tyrimai susieja didelės apimties medžiagos diskų deformaciją Visatoje su Schrodingerio lygtimi, kuri apibūdina atominių ir subatominių objektų kvantinį mechaninį elgesį.
(Paveikslėlis: © Jamesas Tuttle'as Keane'as / Kalifornijos technologijos institutas)
Didžiuliai žvaigždžių diskai ar šiukšlės gali veikti pagal tas pačias taisykles kaip ir subatominės dalelės, keičiantis remiantis Schrodingerio lygtimi, kurią fizikai naudoja modeliuodami kvantines-mechanines sistemas.
Erdvės struktūrų peržiūra su ta lygtimi gali suteikti naujų įžvalgų apie galaktikų evoliuciją, taip pat atskleisti užuominas apie ankstyvosios Saulės sistemos mechaniką ir žiedų, sukančių tolimas planetas, veikimą, rašoma naujame tyrime.
Naujojo tyrimo autorius Kalifornijos technologijos instituto tyrėjas Konstantinas Batyginas, studijuodamas tuos astrofizinius diskus, nesitikėjo rasti tą lygtį. „Tuo metu aš buvau visiškai paklotas“, - „Space.com“ pasakojo Batyginas. "Aš tikėjausi, kad pasirodys įprastos bangos lygtis, kažkas panašaus į stygos bangą ar kažkas panašaus. Ir vietoj to aš gaunu šią lygtį, kuri iš tikrųjų yra kertinis kvantinės mechanikos akmuo." [Planetos „Skraidančio lėkštės“ diskas yra stebėtinai kietas (vaizdo įrašas)]
Naudodamiesi Schrodingerio lygtimi, fizikai gali išaiškinti atominių ir subatominių skalių sistemų sąveiką bangų ir dalelių atžvilgiu - pagrindinė kvantinės mechanikos sąvoka, apibūdinanti tų sistemų kartais neintuityvų elgesį. Pasirodo, astrofizinių diskų deformacija taip pat gali veikti kaip dalelės.
„Retrospektyviai žvelgdamas į problemą dabar stebiuosi, kaip aš tiesiog negalvojau, kad būtent tai ir bus“, - sakė Batyginas, kuris, ko gero, labiausiai žinomas (pasauliečiams) kartu su kolega „Caltech“ tyrėju Mike'u Brownu paskelbęs 2016 m. tyrimą, kuris rado įrodymų apie galimą neatrastą „Planetos devynerį“ tamsiose mūsų išorinės saulės sistemos gelmėse.
Akimirka iš praeities
Batyginas susidūrė su tuo mokymu klasėje. Jis bandė paaiškinti, kaip bangos sklinda pro plačius diskus, kurie yra kosmoso architektūros pavyzdys - pavyzdžiui, tokie diskai yra pastatyti iš žvaigždžių, esančių aplink supermasyviąsias juodąsias skylutes galaktikos centre, ir pagaminti iš dulkių ir šiukšlių naujagimio žvaigždžių sistemoje. Diskai sulenkti ir deformuoti taip, kad dabartinis modeliavimas negali būti valdomas visais atvejais. Mokslininkai gali apskaičiuoti savo veiksmus per labai trumpą laiko tarpą, pavyzdžiui, kas nutinka per kelias orbitas, taip pat kaip jie pasiskirstys per visą gyvenimą, bet ne kaip ir kodėl jie pasikeis šimtų tūkstančių metų tvarka.
„Viskas gali atsitikti, ir jūs tikrai nežinote, kodėl - tai sudėtinga sistema, todėl jūs tiesiog matote, kaip atsiskleidžia dalykai, matote tam tikrą dinaminę evoliuciją“, - sakė Batyginas. "Jei neturite šios be galo sudėtingos fizinės intuicijos, jūs tiesiog nesuprantate, kas vyksta jūsų simuliacijoje".
Stebėdamas disko raidą, Batyginas pasiskolino pokštą iš 1770-ųjų: apskaičiuodamas, kaip matematikai Joseph-Louis Lagrange ir Pierre-Simon Laplaso modeliavo Saulės sistemą kaip milžiniškų kilpų seką, einančią po planetų orbitas. Nors modelis nebuvo naudingas trumpais kelių saulės spindulių ciklais, jis galėjo tiksliai parodyti orbitų sąveiką vienas su kitu laikui bėgant.
Užuot modeliuodamas atskirų planetų orbitas, Batyginas naudojo plonesnių ir plonesnių žiedų serijas, kad pavaizduotų skirtingus astrofizinio disko gabalus, pavyzdžiui, svogūno sluoksnius, kiekvieną susietą su tame regione besisukančių kūnų mase. Žiedų gravitacinė sąveika vienas su kitu galėtų modeliuoti, kaip diskas deformuosis ir keisis.
Ir kai sistemą pasidarė per daug sudėtinga apskaičiuoti ranka ar kompiuteryje, nes jis pridėjo daugiau žiedų, jis pasinaudojo matematiniu nuorodu, kad konvertuotų į begalinio skaičiaus be galo plonų žiedų aprašymą.
"Tai yra tik plačiai žinomas matematinis rezultatas, naudojamas fizikoje iš kairės ir į dešinę", - sakė Batyginas. Tačiau vis tiek kažkodėl niekas nesiėmė šitaip modeliuoti astrofizinio disko.
„Man išties nuostabu tai, kad niekas anksčiau niekada nesupynė žiedų į kontinuumą“, - sakė jis. "Retrospektyviai tai atrodo akivaizdu ir aš nežinau, kodėl aš apie tai negalvojau greičiau."
Kai Batyginas atliko šiuos skaičiavimus, jis atrado susidarančią lygtį stebėtinai gerai pažįstamą.
"Žinoma, abu yra susiję, tiesa? Kvantinėje mechanikoje daleles traktuojate kaip bangas", - sakė jis. "Žvelgiant atgal, tai yra beveik intuityvu, kai turėtum gauti kažką panašaus į Schrodingerio lygtį, tačiau tuo metu aš tikrai buvau nuoširdžiai nustebęs". Lygtis netikėtai pasirodė anksčiau, pridūrė jis, pavyzdžiui, aprašydamas vandenyno bangas ir tai, kaip šviesa juda per tam tikras netiesines terpes.
„Tai, ką rodo mano tyrimas, yra tai, kad ilgalaikis astrofizinių diskų elgesys, jų lankstymo ir deformavimo būdas, jungiasi prie šios klasikinių kontekstų grupės, kurią galima suprasti iš esmės kvantiniame kontekste“, - teigė Batyginas.
Nauji rezultatai iškelia įdomią dviejų situacijų analogiją: Tai, kaip bangos keliauja per astrofizinius diskus, atšokdamos nuo vidinio ir išorinio kraštų, yra lygiavertė tam, kaip viena kvantinė dalelė atsimuša pirmyn ir atgal tarp dviejų sienų.
Rasti šį lygiavertiškumą turi vieną įdomią pasekmę: Batyginas galėjo pasiskolinti kai kuriuos mokslininkų, kurie jau tyrė ir išsamiai ištyrė šią kvantinę situaciją, darbą ir tada interpretuoti lygtį šiame naujame kontekste, kad suprastų, kaip diskai reaguoja į išorinius traukinius ir pasipiktinimai.
„Fizikai turi daug patirties su Schrodingerio lygtimi; ji ateina po 100 metų“, - „Space.com“ pasakojo su tyrimu nesusijęs Jeilio universiteto astrofizikas Gregas Laughlinas. "Ir labai daug gilių minčių perprato suprantant jos padarinius. Taigi tą visą esmę dabar galima pritaikyti diskų evoliucijai."
"O tokiam asmeniui kaip aš - kuris pripažino geresnį, nors ir netobulą, tai, ką daro pirmykščiai diskai - tai taip pat suteikia galimybę eiti kitu keliu ir galbūt giliau pažinti kvantines sistemas naudojant disko analogiją", - teigė jis. pridėta. "Aš manau, kad tai sukels daug dėmesio ir susidomėjimo, tikriausiai suglumina. Ir galiausiai manau, kad tai bus tikrai įdomus vystymasis."
Supratimo sistema
Batyginas tikisi pritaikyti lygtį, kad suprastų įvairius astrofizinių diskų aspektus.
„Tai, ką aš pateikiau šiame dokumente, yra sistema“, - sakė Batyginas. "Aš užpuoliau su viena konkrečia problema, tai yra disko griežtumo problema - kiek diskas gali išlikti gravitaciniu atžvilgiu standus veikiant išoriniams trikdžiams. Šiuo metu nagrinėju daugybę papildomų programų."
Vienas iš pavyzdžių yra šiukšlių disko, galiausiai suformavusio mūsų saulės sistemą, raida, sakė Batyginas. Kita yra žiedų aplink ekstrasoliarias planetas dinamika. Ir trečdalis yra žvaigždžių diskas, supantis juodąją skylę Pieno kelio centre, kuri pati yra labai sulenkta.
Laughlinas pažymėjo, kad darbas turėtų būti ypač naudingas gerinant tyrėjų supratimą apie naujagimių žvaigždžių sistemas, nes juos sunkiau stebėti iš tolo, o tyrėjai šiuo metu negali modeliuoti jų vystymosi nuo pradžios iki pabaigos.
„Matematinė sistema, kurią sudarė Konstantinas, yra geras pavyzdys to, kas iš tikrųjų galėtų padėti mums suprasti, kaip elgiasi objektai, kurie yra šimtų tūkstančių orbitų orbitoje, pavyzdžiui, kaip planetą formuojantis diskas“, - sakė jis.
Tyrime nedalyvavusio Mičigano universiteto astrofiziko Fredo Adamso teigimu, šis naujas darbas yra labiausiai naudingas sistemoms, kuriose didelio masto gravitacijos efektai išnyksta. Sistemoms, turinčioms sudėtingesnį gravitacinį poveikį, pavyzdžiui, galaktikoms su labai skirtingais spiraliniais svirtimis, reikės kažkokios kitos modeliavimo strategijos. Tačiau, kalbant apie šią klasės problemą, tai yra įdomus astrofizinių diskų apytikslių bangų variantas.
„Bet kurios srities, įskaitant aplinkinius diskus, tyrimai visada naudingi kuriant ir naudojant naujas priemones“, - sakė Adamsas. "Šis straipsnis parodo naujo analitinio įrankio sukūrimą arba naują senesnių įrankių posūkį, atsižvelgiant į tai, kaip į tai žiūrite. Bet kokiu atveju tai yra dar vienas didesnio galvosūkio gabalas."
Taikymas leis tyrinėtojams suprasti struktūras, kurias astronomai mato naktiniame danguje nauju būdu: Nors šie diskai keičiasi ilgesniais terminais, nei žmonės gali stebėti, lygtį galima pritaikyti norint išsiaiškinti, kaip sistema pateko į tašką, kurį matome. šiandien ir kaip tai gali pasikeisti ateityje, sakė Batyginas. Viskas paremta matematika, kuri paprastai apibūdina neįtikėtinai greitą ir trumpalaikę sąveiką.
"Čia yra tas intriguojantis abipusiškumas tarp matematikos, reglamentuojančios subatominio pasaulio elgesį, ir matematikos, reglamentuojančios šių astronominių dalykų, vykstančių per daug ilgesnį laiką, elgesį [ir] ilgalaikę raidą", - pridūrė jis. "Tai, manau, yra nuostabi ir intriguojanti pasekmė".
Naujas darbas buvo išsamiai aprašytas šiandien (kovo 5 d.) Žurnale „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“.
