Nove raziskave povezujejo zvijanje obsežnih diskov materiala v vesolju s Schrodingerjevo enačbo, ki opisuje kvantno mehansko obnašanje atomskih in subatomskih predmetov.
(Slika: © James Tuttle Keane / Kalifornijski tehnološki inštitut)
Ogromni diski zvezd ali naplavin lahko delujejo po enakih pravilih kot subatomske delce, pri čemer se spreminjajo na podlagi Schrodingerjeve enačbe, ki jih fiziki uporabljajo za modeliranje kvantno-mehanskih sistemov.
Ogledovanje vesoljskih struktur z navedeno enačbo lahko da nov vpogled v to, kako se galaksije razvijajo, pa tudi razkrije namige o mehaniki zgodnjega sončnega sistema in delovanju obročev, ki krožijo na oddaljene planete, poroča nova študija.
Avtor nove študije kalifornijskega tehnološkega inštituta Konstantin Batygin ni pričakoval, da bo pri proučevanju teh astrofizičnih diskov našel to posebno enačbo. "Takrat sem bil popolnoma podložen," je Batygin povedal za Space.com. "Pričakoval sem, da se bo pojavila enačba navadnega vala, nekaj takega kot val vrvice ali kaj podobnega. In namesto tega dobim to enačbo, ki je v resnici temelj kvantne mehanike." [Planet-Izdelava diska 'Leteči krožnik' je presenetljivo kul (video)]
S Schrodingerjevo enačbo fiziki lahko razlagajo interakcije sistemov na atomski in subatomski lestvici v smislu valov in delcev - ključnega koncepta kvantne mehanike, ki opisuje včasih neintuitivno vedenje teh sistemov. Izkazalo se je, da lahko izkrivljanje astrofizičnih diskov deluje tudi kot delci.
"Če gledam na problem zdaj, sem presenečen nad tem, kako nisem samo ugibal, da bo to res tako," je dejal Batygin, ki je morda najbolj znan (za laike, vseeno) za sodelavce. avtor študije iz leta 2016 s kolegom Caltech raziskovalcem Mikeom Brownom, ki je našel dokaze za morebitno neodkritega "Planet devet" v temnih globinah našega zunanjega osončja.
Vznemirljivost iz preteklosti
Batygin je pri pouku pouka naletel na povezavo. Poskušal je razložiti, kako valovi potujejo skozi široke diske, ki so sestavni del vesoljske arhitekture - na primer, takšni diski so zgrajeni iz zvezd okoli supermasivne črne luknje v središču galaksije in iz prahu in naplavin v novorojenem zvezdnem sistemu. Diski se upogibajo in zavijajo na kompleksen način, da trenutno modeliranje ne zmore vseh časovnih lestvic. Znanstveniki lahko izračunajo svoja dejanja v zelo kratkem časovnem razponu, na primer, kaj se zgodi v nekaj orbitah, pa tudi, kako se bodo razpršili skozi celotno življenjsko dobo, ne pa tudi, kako in zakaj se bodo spreminjali v vrstnem redu sto tisoč let.
"Lahko se zgodijo stvari in v resnici ne veste, zakaj - to je zapleten sistem, zato preprosto vidite stvari, ki se odvijajo, vidite, kako se odvija neka dinamična evolucija," je dejal Batygin. "Razen če nimate te pošastno zapletene fizične intuicije, preprosto ne razumete, kaj se dogaja v vaši simulaciji."
Da bi sledil razvoju diska, si je Batygin izposodil trik iz 1770-ih: izračunavanje načina, kako sta matematika Joseph-Louis Lagrange in Pierre-Simon Laplace modelirala sončni sistem kot niz velikanskih zank, ki so sledile orbiti planetov. Čeprav model ni bil v pomoč v kratkem časovnem razponu nekaj krogov okoli sonca, je lahko natančno prikazal medsebojno delovanje orbitov med seboj.
Namesto da bi oblikoval orbite posameznih planetov, je Batygin uporabil vrsto tanjših in tanjših obročev, da je predstavil različne koščke astrofizičnega diska, kot so plasti čebule, vsaka vezana na maso orbitiranih teles znotraj tega območja. drug z drugim bi lahko modelirali, kako bi se disk prepletal in spreminjal.
In ko se je sistem preveč zapletel, da bi ga ročno ali v računalniku lahko izračunal, ko je dodal več obročev, je s pomočjo matematične bližnjice pretvoril v opisovanje neskončnega števila neskončno tankih obročev.
"To je le splošno znan matematični rezultat, ki se v fiziki uporablja levo in desno," je dejal Batygin. Toda vendar nekako nihče ni izkoristil preskoka, da bi tako modeliral astrofizični disk.
"Kar je resnično izjemno, je to, da še nikoli nihče ni zabrisal [obročev] v kontinuum," je dejal. "Zdi se, da je v perspektivi tako očitno in ne vem, zakaj nisem prej pomislil na to."
Ko je Batygin prešel skozi te izračune, je ugotovil, da je nastajajoča enačba presenetljivo znana.
"Seveda sta oba povezana, kajne? V kvantni mehaniki delce obravnavate kot valove," je dejal. "V perspektivi je nekako skoraj intuitivno, da bi morali dobiti nekaj, kot je Schrodingerjeva enačba, a takrat sem bil resnično presenečen." Enačba se je že prej nepričakovano pojavila, je dodal - na primer v opisih oceanskih valov in tudi, kako se svetloba premika skozi določene nelinearne medije.
"Kar kaže moja raziskava, je, da se dolgoročno vedenje astrofizičnih diskov, način, kako se upogibajo in previjajo, pridruži tej skupini klasičnih kontekstov, ki jih je mogoče razumeti v bistvu kvantnih okvirih," je dejal Batygin.
Novi rezultati sprožijo zanimivo analogijo med obema situacijama: način, kako valovi potujejo skozi astrofizične diske in se odbijajo od notranjega in zunanjega roba, je enakovreden načinu, kako en sam kvantni delček odskoči naprej in nazaj med dvema stenama, je dejal.
Najdba te enakovrednosti ima eno zanimivo posledico: Batygin si je lahko izposodil nekaj dela, ki so ga opravili raziskovalci, ki so že preučevali in delali skozi to kvantno situacijo, in nato interpretirali enačbo v tem novem kontekstu, da bi razumeli, kako se diski odzivajo na zunanje potegne in vznemirjenja.
"Fiziki imajo veliko izkušenj s Schrodingerjevo enačbo; zdaj se pojavlja na 100 let," je za Space.com povedal Greg Laughlin, astrofizik z univerze Yale, ki ni bil vključen v študijo. "In zelo globoka misel je šla v razumevanje njegovih posledic. In tako lahko zdaj celotno zgradbo uporabimo za razvoj diskov."
"In za nekoga, kot sem jaz, - ki ima boljši smisel za to, kaj počnejo protozvezdni diski, čeprav nepopolno - tudi to daje možnost, da gremo po drugi poti in morda dobimo globlji vpogled v kvantne sisteme z uporabo analogije diskov," je dejal dodano. "Mislim, da bo to vzbudilo veliko pozornosti in zanimanja, verjetno zmede. In na koncu mislim, da bo šlo za res zanimiv razvoj."
Okvir razumevanja
Batygin z veseljem uporablja enačbo za razumevanje različnih vidikov astrofizičnih diskov.
"To, kar sem predstavil v tem prispevku, je okvir," je dejal Batygin. "Z njo sem napadel eno posebno težavo, to je teža togosti diska - to, v kolikšni meri disk lahko ostane gravitacijsko tog in pod zunanjimi vznemirjenji. Obstaja široka paleta dodatnih aplikacij, ki jih trenutno preučujem."
En primer je evolucija diska naplavin, ki je sčasoma oblikoval naš osončje, je dejal Batygin. Druga je dinamika obročev okoli ekstrasolarnih planetov. In tretjina je disk zvezd, ki obdaja črno luknjo v središču Mlečne poti, ki je sam po sebi močno upognjen.
Laughlin je opozoril, da bi delo moralo biti še posebej koristno pri izboljšanju raziskovalčevega razumevanja sistemov novorojenčkov, saj jih je težko opazovati od daleč in raziskovalci trenutno ne morejo simulirati njihovega razvoja od začetka do konca.
"Matematični okvir, ki ga je Konstantin sestavil, je dober primer nečesa, kar bi nam resnično lahko pomagalo razumeti, kako se obnašajo predmeti, stari več sto tisoč orbitov, kot disk, ki tvori planet," je dejal.
Po besedah Freda Adamsa, astrofizika z univerze v Michiganu, ki ni bil vključen v študijo, je to novo delo najbolj uporabno za sisteme, v katerih obsežni gravitacijski učinki odpovedo. Za sisteme z bolj zapletenimi gravitacijskimi vplivi, kot so galaksije z zelo izrazitimi spiralnimi ročicami, bo potrebna še kakšna druga strategija modeliranja. Toda za ta razred problemov je zanimiva variacija približevanja valov v astrofizičnih diskih, je dejal.
"Raziskave na katerem koli področju, vključno z obodnimi diski, imajo vedno koristi od razvoja in uporabe novih orodij," je dejal Adams. "Ta članek predstavlja razvoj novega analitičnega orodja ali novega zasuka starejših orodij, odvisno od tega, kako gledate nanj. Kakor koli že, to je še en kos večje sestavljanke."
Okvir bo raziskovalcem omogočil razumevanje struktur, ki jih astronomi na nočnem nebu vidijo na nov način: Medtem ko se ti diski spreminjajo na veliko daljše časovne lestvice, kot jih lahko opazujejo ljudje, lahko enačbo uporabimo, da ugotovimo, kako je sistem prišel do točke, ki jo vidimo danes in kako bi se to lahko spremenilo v prihodnosti, je dejal Batygin. In vse temelji na matematiki, ki običajno opisuje neverjetno hitre, hitro minljive interakcije.
"Med matematiko, ki upravlja vedenje subatomskega sveta, in matematiko, ki ureja vedenje [in] dolgoročno evolucijo teh astronomskih stvari, ki se odvijajo na veliko, veliko daljših časovnih lestvicah, obstaja ta zanimiva vzajemnost." "Mislim, da je to izjemna in intrigantna posledica."
Novo delo je bilo danes (5. marca) podrobno opisano v reviji Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
