Fraktāļu raksti piedāvā norādes uz Visuma izcelsmi


Ielejiet pienu kafija, un virpuļi un stīgas baltā krāsā drīz izbalē līdz brūnai. Pusstundas laikā dzēriens atdziest līdz istabas temperatūrai. Palicis dienām, šķidrums iztvaiko. Pēc gadsimtiem kauss izklīst, un miljardiem gadu vēlāk visa planēta, saule un Saules sistēma izkliedēsies. Visumā visa matērija un enerģija izkliedējas no karstajiem punktiem, piemēram, kafijas un zvaigznēm, kuru galu galā (pēc triljoniem gadu) ir paredzēts vienmērīgi izplatīties pa kosmosu. Citiem vārdiem sakot, tā pati nākotne sagaida kafiju un kosmosu.

Žurnāls Quanta


autora foto

Par

Oriģinālais sižets pārpublicēts ar atļauju no Žurnāls Quanta, Simona fonda redakcionāli neatkarīgā publikācija, kuras uzdevums ir uzlabot sabiedrības izpratni par zinātni, aptverot pētījumu attīstību un tendences matemātikā, fizikālajās un dzīvības zinātnēs.

Šī pakāpeniskā vielas un enerģijas izplatīšana, ko sauc par “termiskošanu”, ir vērsta uz laika bultu. Bet tas, ka laika bultiņa ir neatgriezeniska, tā ka karstā kafija atdziest, bet nekad spontāni neizkarst, nav ierakstīts pamatā esošajos likumos, kas nosaka molekulu kustību kafijā. Termiskā apstrāde drīzāk ir statistisks iznākums: kafijas siltums daudz vairāk izplatās gaisā nekā aukstā gaisa molekulas, lai koncentrētu enerģiju kafijā, tāpat kā jauna kāršu klāšana, pēc nejaušības principa, kārtot kārtis un atkārtot shuffles praktiski nekad tos nešķiros pēc uzvalka un ranga. Tiklīdz kafija, tase un gaiss sasniedz termisko līdzsvaru, starp tām vairs neplūst enerģija, un turpmākas izmaiņas nenotiek. Tādējādi termiskais līdzsvars kosmiskajā mērogā tiek saukts par “Visuma siltuma nāvi”.

Bet, lai gan ir viegli redzēt, kur notiek termizācija (pie karstas kafijas un iespējamas karstuma nāves), tas ir mazāk skaidrs, kā process sākas. “Ja jūs sākat tālu no līdzsvara, piemēram, agrīnajā Visumā, kā rodas laika bultiņa, sākot ar pirmajiem principiem?” Sacīja Jirgens Bergess, teorētiskais fiziķis no Heidelbergas universitātes Vācijā, kurš šo problēmu ir pētījis vairāk nekā desmit gadus .

Heidelbergas universitātes fizikas profesors Jirgens Bergess ir līderis centienos izprast universālumu tālu līdz līdzsvara dinamikā.

Filips Benjamiņš

Dažos pēdējos gados Bergess un kolēģu tīkls ir atklājuši pārsteidzošu atbildi. Pētnieki ir atklājuši vienkāršus, tā sauktos “universālos” likumus, kas regulē pārmaiņu sākotnējos posmus dažādās sistēmās, kas sastāv no daudzām daļiņām, kas atrodas tālu no termiskā līdzsvara. Viņu aprēķini norāda, ka šīs sistēmas – piemēri ir karstākā plazma, kas jebkad ražota uz Zemes, un aukstākā gāze, un, iespējams, arī enerģijas lauks, kas teorētiski piepildīja Visumu tā pirmajā dalītajā sekundē – sāk attīstīties laikā tādā veidā, kā to apraksta viena un tā pati nedaudz universālo skaitļu neatkarīgi no tā, kādas ir sistēmas.

Rezultāti liecina, ka sākotnējie termiskās apstrādes posmi ir ļoti atšķirīgi no tā, kas notiks vēlāk. Proti, tālu no līdzsvara esošajām sistēmām ir raksturīga fraktāļiem līdzīga rīcība, kas nozīmē, ka dažādās telpiskās un laika skalas tās izskatās vienādi. To īpašības maina tikai tā saucamais “mērogojošais eksponents” – un zinātnieki atklāj, ka šie eksponenti bieži ir vienkārši skaitļi, piemēram, ½ un -⅓. Piemēram, daļiņu ātrumu vienā mirklī var mainīt, ņemot vērā mērogošanas eksponentu, lai jebkurā laikā vēlāk vai agrāk sadalītu ātrumu. Šķiet, ka visa veida kvantu sistēmas dažādos ekstremālos sākuma apstākļos ietilpst šajā fraktālam līdzīgajā modelī, uzrādot universālu mērogošanu kādu laiku pirms pārejas uz parasto termisko iedarbību.

“Man šis darbs šķiet aizraujošs, jo tas izvelk vienojošu principu, kuru mēs varam izmantot, lai izprastu lielas no līdzsvara līmeņa sistēmu klases,” sacīja Nicole Yunger Halpern, Hārvarda universitātes kvantu fiziķe, kura šajā darbā nav iesaistīta. "Šie pētījumi dod cerību, ka mēs varam aprakstīt pat šīs ļoti nekārtīgās, sarežģītās sistēmas ar vienkāršiem modeļiem."

Maisot kafiju, sistēmā ievadītā enerģija sadrumstaloja telpiskos mērogus mazākos un mazākos virpuļos ar enerģijas pārnešanas ātrumu, ko raksturo universālais eksponenciālā samazinājuma koeficients -5/3.

Bergesa plaši tiek uzskatīta par vadošo teorētisko piepūli, kopš 2008. gada ir virkne pētījumu, kas izskaidro universālās mērogošanas fiziku. Viņa līdzautors šopavasar spēris vēl vienu soli rakstā Fiziskās apskates vēstules kas izpētīja “preskalāciju” un universālās mērogošanas palielināšanu. Heidelberga Tomasa Gasenzera vadīta grupa arī izmeklēja preskalāciju a PRL maija rakstā, piedāvājot dziļāk aplūkot fraktāļiem līdzīgās izturēšanās sākumu.

Daži pētnieki tagad pēta tālu no līdzsvara dinamiku laboratorijā, jo citi iedziļinās universālo skaitļu izcelsmē. Eksperti saka, ka universālā mērogošana palīdz risināt arī dziļus konceptuālus jautājumus par to, kā kvantu sistēmas vispār spēj sasilt.

Dažādās frontēs notiek “haotisks progress”, sacīja Zorans Hadzibabičs no Kembridžas universitātes. Viņš un viņa komanda pēta universālu mērogošanu karstā kālija-39 atomu gāzē, pēkšņi izsaucot atomu mijiedarbības stiprumu, pēc tam ļaujot tiem attīstīties.

Enerģijas kaskādes

Kad Bergess sāka pētīt tālu no līdzsvara dinamiku, viņš gribēja izprast galējos apstākļus Visuma sākumā, kad radās daļiņas, kas tagad apdzīvo kosmosu.

Šie apstākļi būtu notikuši tūlīt pēc “kosmiskās inflācijas” – eksplozīvā kosmosa paplašināšanās, par ko daudzi kosmologi domāja, ka ir sākusi Lielo sprādzienu. Inflācija būtu iznīcinājusi visas esošās daļiņas, atstājot tikai pašas telpas vienveidīgo enerģiju: pilnīgi gludu, blīvu, oscilējošu enerģijas lauku, kas pazīstams kā “kondensāts”. Bergess šo kondensātu modelēja 2008. gadā ar līdzstrādniekiem Aleksandru Rotkofu un Jonasu Šmitu, un viņi atklāja, ka pirmajos tās evolūcijas posmos vajadzēja parādīt fraktālam līdzīgu universālu mērogošanu. "Jūs redzat, ka tad, kad šis lielais kondensāts sadalījās daļiņās, kuras mēs šodien novērojam, šo procesu var ļoti eleganti aprakstīt ar dažiem skaitļiem," viņš teica.

Lai saprastu, kā izskatās šī universālā mērogošanas parādība, apsveriet spilgtu neseno atklājumu vēsturisko priekšteci. 1941. gadā krievu matemātiķis Andrejs Kolmogorovs aprakstīja veidu, kā enerģija “kaskādes” caur turbulentiem šķidrumiem. Piemēram, jaucot kafiju, jūs izveidojat virpuļplūsmu lielā telpiskā mērogā. Kolmogorovs saprata, ka šis virpulis spontāni ģenerēs mazākus virpuļus, kas rada vēl mazākus virpuļus. Maisot kafiju, sistēmā ievadītā enerģija sadrumstaloja telpiskos mērogus mazākos un mazākos virpuļos ar enerģijas pārnešanas ātrumu, ko raksturo universālais eksponenciālā samazinājuma koeficients -5/3, ko Kolmogorovs secināja no šķidruma izmēri.

Kolmogorova “-5/3 likums” vienmēr šķita noslēpumains, pat ja tas kalpoja par turbulences pētījumu stūrakmeni. Bet tagad fiziķi ir atraduši būtībā to pašu kaskādes, fraktāļiem līdzīgo universālo mērogošanas fenomenu tālu no līdzsvara dinamikā. Pēc Berges domām, enerģijas kaskādes, iespējams, rodas abos kontekstos, jo tās ir visefektīvākais veids, kā sadalīt enerģiju mērogos. Mēs to instinktīvi zinām. "Ja vēlaties izdalīt cukuru kafijā, jūs to maisāt," pretstatā kratīšanai sacīja Bergess. "Jūs zināt, ka tas ir visefektīvākais enerģijas pārdalīšanas veids."

Starp universālo mērogošanas fenomenu tālu no līdzsvara sistēmām un fraktāļu virpuļiem turbulentā šķidrumā ir viena galvenā atšķirība: šķidruma gadījumā Kolmogorova likums apraksta enerģijas kaskādes pa telpiskajām dimensijām. Jaunajā darbā pētnieki redz tālu no līdzsvara esošās sistēmas, kas tiek pakļautas fraktāļiem līdzīgai universālai mērogošanai gan laikā, gan telpā.

Veikt Visuma dzimšanu. Pēc kosmiskās inflācijas hipotētiskais svārstīgais, ar telpu piepildītais kondensāts ātri būtu pārveidojies par blīvu kvantu daļiņu lauku, kas visi pārvietojas ar tādu pašu raksturīgo ātrumu. Bergess un viņa kolēģi spriež, ka šīm tālu no līdzsvara esošajām daļiņām parādījās fraktāļu mērogojums, kuru pārvaldīja universālie mērogošanas eksponenti, kad viņi sāka Visuma termisko evolūciju.

Lūsija Reading-Ikkanda / Quanta Magazine

Pēc komandas aprēķiniem un datorsimulācijām, vienas kaskādes vietā, piemēram, tādu, kādu jūs atradāt turbulentā šķidrumā, būtu bijušas divas kaskādes, kas virzītos pretējos virzienos. Lielākā daļa sistēmas daļiņu no viena brīža uz otru būtu palēninājušās, kaskādes pakāpē uz lēnāku un lēnāku ātrumu ar raksturīgu ātrumu – šajā gadījumā ar mērogošanas eksponentu aptuveni -3/2. Galu galā viņi būtu sasnieguši apstāšanos, veidojot vēl vienu kondensātu. (Šis nekustēsies un nepārvērtīsies daļiņās; tā vietā tas pakāpeniski sabruks.) Tikmēr lielākā daļa enerģijas, kas atstāj palēninošās daļiņas, būtu sadrumstaloti līdz dažām daļiņām, kas ieguvušas ātrumu ar ātrumu, ko nosaka eksponents ½. Būtībā šīs daļiņas sāka kustēties ārkārtīgi ātri.

Ātrās daļiņas vēlāk būtu sadalījušās kvarkos, elektronos un citās mūsdienās esošās elementārajās daļiņās. Pēc tam šīm daļiņām būtu notikusi standarta termiska apstrāde, izkliedējot viena otru un sadalot enerģiju. Šis process joprojām notiek mūsdienu Visumā un turpināsies vairākus miljardus gadu.

Notiek vienkāršība

Idejas par agrīno Visumu nav viegli pārbaudāmas. Bet ap 2012. gadu pētnieki saprata, ka tālu no līdzsvara scenārijs rodas arī eksperimentos, proti, kad smagie atomu kodoli gandrīz gaismas ātrumā tiek sagrauti relativistiskajā smago jonu savācējā Ņujorkā un Eiropas lielajā hadronu sadursmē. .

Šīs kodolenerģijas sadursmes rada ekstrēmas matērijas un enerģijas konfigurācijas, kuras pēc tam sāk atslābt līdzsvara virzienā. Jūs varētu domāt, ka sadursmes radīs sarežģītu jucekli. Bet, kad Bergess un viņa kolēģi teorētiski analizēja sadursmes, viņi atrada struktūru un vienkāršību. Bergess sacīja, ka dinamiku var kodēt ar dažiem skaitļiem.

Modelis turpinājās. Apmēram 2015. gadā pēc sarunām ar eksperimentālistiem, kuri laboratorijā skenēja ultrakarstās atomu gāzes, Bergess, Gasenzers un citi teorētiķi aprēķināja, ka šīm sistēmām vajadzētu parādīt arī universālu mērogošanu pēc tam, kad tās ātri atdzesē apstākļos, kas atrodas ļoti tālu no līdzsvara.

Pagājušā gada rudenī divas grupas – vienu vadīja Markus Oberthalerof Heidelberg un otru – Jörg Schmiedmayer no Vīnes Kvantu zinātnes un tehnoloģijas centra – vienlaikus ziņoja Daba ka viņi bija novērojuši fraktāļiem līdzīgu universālo mērogošanu tā, kā dažādās 100 000 vai apmēram tā atomu īpašībās gāzēs mainījās telpā un laikā. "Atkal notiek vienkāršība," sacīja Bergess, kurš bija viens no pirmajiem, kurš prognozēja parādību šādās sistēmās. “Var redzēt, ka dinamiku var raksturot ar dažiem mērogošanas eksponentiem un universālām mērogošanas funkcijām. Un daži no viņiem izrādījās tie paši, kas tika prognozēti daļiņām agrīnajā Visumā. Tāda ir universālitāte. ”

Tagad pētnieki uzskata, ka universālā mērogošanas parādība notiek ultrakodālo atomu nanokelvina skalā, kodolu sadursmju 10 triljonu kelvinu skalā un agrīnā Visuma 10 000 triljonu triljonu kelvinu skalā. "Tas ir universāluma punkts – jūs varat sagaidīt, ka redzēsit šīs parādības dažādās enerģijas un garuma skalās," sacīja Bergess.

Agrīnā Visuma gadījumam var būt visbūtiskākā interese, taču tieši kontrolētās, izolētās laboratoriju sistēmas ļauj zinātniekiem samierināt universālos noteikumus, kas reglamentē pārmaiņu sākuma posmus. “Mēs zinām visu, kas atrodas kastē,” kā izteicās Hadzibabičs. "Tieši šī izolācija no vides ļauj izpētīt parādību tīrā veidā."

Viens no galvenajiem uzdevumiem bija izdomāt, no kurienes nāk sistēmu mērogošanas eksponenti. Dažos gadījumos eksperti ir izsekojuši eksponentus ar telpisko dimensiju skaitu, ko sistēma aizņem, kā arī ar tās simetrijām, tas ir, visiem veidiem, kā to var pārveidot, nemainot (tāpat kā kvadrāts paliek tāds pats, pagriežot par 90 grādiem) ).

Šīs atziņas palīdz risināt paradoksu par to, kas notiek ar informāciju par pagātni, kad sistēmas uzsilst. Kvantu mehānika pieprasa, lai daļiņas attīstoties, nekad nepazustu informācija par viņu pagātni. Un tomēr, šķiet, ka termiskā apstrāde ir šāda: Kad divas novārtā atstātas kafijas tases ir istabas temperatūrā, kā jūs varat pateikt, kura no tām sāka karstāku?

Šķiet, ka, sākoties sistēmas attīstībai, galvenās detaļas, tāpat kā tās simetrijas, tiek saglabātas un tiek kodētas mērogošanas eksponentos, kas diktē tās fraktālo evolūciju, bet citas detaļas, piemēram, tās daļiņu sākotnējā konfigurācija vai mijiedarbība starp tām, kļūst nebūtiskas. uz savu izturēšanos, kas ir iekļuvusi daļiņu starpā.

Un šis kodēšanas process notiek ļoti agri. Šī gada pavasara dokumentos Bergess, Gasenzers un viņu līdzstrādnieki pirmo reizi patstāvīgi aprakstīja preskalāciju – laikposmu pirms universālas mērogošanas, ko viņu raksti paredzēja attiecīgi kodola sadursmēm un sevišķi aukstiem atomiem. Preskalācija liek domāt, ka tad, kad sistēma sākotnēji attīstās no sākotnējā, tālu no līdzsvara stāvokļa, mērogošanas eksponenti to vēl perfekti neapraksta. Sistēma saglabā daļu savas iepriekšējās struktūras – sākotnējās konfigurācijas paliekas. Bet, progresējot preskalācijai, sistēma telpā un laikā iegūst universālāku formu, būtībā aizklājot nebūtisku informāciju par savu pagātni. Ja šo ideju atbalstīs turpmāki eksperimenti, priekšlaicīga nostādīšana var būt laika bultiņas novilkšana uz tauriņu.

Oriģinālais sižets pārpublicēts ar atļauju no Žurnāls Quanta, Simona fonda redakcionāli neatkarīga publikācija, kuras uzdevums ir uzlabot sabiedrības izpratni par zinātni, aptverot pētījumu attīstību un tendences matemātikā, fizikālajās un dzīvības zinātnēs.


Vairāk lielisku VADU stāstu