Fraktalni vzorci ponujajo namige k nastanku vesolja


Vlijte mleko kava, in vrtinci in rog bele barve kmalu zbledijo do rjave barve. V pol ure se pijača ohladi na sobno temperaturo. Tekočina pustimo več dni, da izhlapi. Po stoletjih se bo skodelica razpadla, milijarde let pozneje pa se bo razkropil ves planet, sonce in osončje. Po vsem vesolju se vsa materija in energija razpršuje iz vročih točk, kot so kava in zvezde, na koncu pa je (po trilijonih letih) enakomerno razširjeno skozi vesolje. Z drugimi besedami, ista prihodnost čaka kavo in kozmos.

Revija Quanta


avtorjeva fotografija

O tem

Izvirna zgodba je ponatisnjena z dovoljenjem s strani Revija Quanta, uredniško neodvisna publikacija Simonsove fundacije, katere poslanstvo je izboljšati javno razumevanje znanosti z zajetjem raziskovalnega razvoja in trendov matematike ter fizikalnih in življenjskih ved.

To postopno širjenje materije in energije, imenovano "termalizacija", je usmerjeno v puščico časa. Toda dejstvo, da je puščica časa nepovratna, tako da se vroča kava ohladi, vendar se nikoli ne gre spontano, ni zapisana v osnovne zakone, ki urejajo gibanje molekul v kavi. Namesto tega je termalizacija statistični rezultat: toplota kave se veliko bolj širi v zrak kot molekule hladnega zraka, da energijo koncentrirajo v kavo, tako kot premeščanje novega kroga kartic naključno razvrsti naročilo kartic in ponavljajoče se mešanja jih praktično nikoli ne bodo razvrstili po lastnostih in uvrstitvah. Ko kava, skodelica in zrak dosežejo toplotno ravnovesje, med njimi ne teče več energije in ne pride do nadaljnjih sprememb. Tako toplotno ravnovesje v kozmičnem merilu imenujemo "toplotna smrt vesolja."

Medtem ko je težko razumeti, kam vodi termalizacija (do kavne kave in morebitne toplotne smrti), je manj očitno, kako se postopek začne. "Če začnete daleč od ravnovesja, kot v zgodnjem vesolju, kako nastane puščica časa, izhajajoč iz prvih načel?" Je dejal Jürgen Berges, teoretični fizik z univerze v Heidelbergu v Nemčiji, ki že več kot desetletje preučuje to težavo .

Jürgen Berges, profesor fizike na Heidelberški univerzi, je vodilni v prizadevanjih za razumevanje univerzalnosti v dinamiki, ki je daleč od ravnovesja.

Philip Benjamin

V zadnjih nekaj letih sta Berges in mreža sodelavcev odkrila presenetljiv odgovor. Raziskovalci so odkrili preproste, tako imenovane „univerzalne“ zakone, ki urejajo začetne stopnje sprememb v različnih sistemih, sestavljenih iz številnih delcev, ki so daleč od toplotnega ravnovesja. Njihovi izračuni kažejo, da ti sistemi – primeri vključujejo najbolj vročo plazmo, ki je bila kdajkoli proizvedena na Zemlji, in najhladnejši plin in morda tudi polje energije, ki je teoretično napolnilo vesolje v prvi delni sekundi – začnejo razvijati v času na način, ki ga opisujejo enako peščico univerzalnih številk, ne glede na to, iz katerih sistemov so.

Ugotovitve kažejo, da se začetne faze termalizacije odvijajo na način, ki se zelo razlikuje od poznejšega. Zlasti sistemi, ki so daleč od ravnotežja, imajo fraktalno podobno vedenje, kar pomeni, da so videti zelo enako na različnih prostorskih in časovnih lestvicah. Njihove lastnosti premaknejo le tako imenovani „eksponent skaliranja“ – in znanstveniki odkrivajo, da so ti eksponenti pogosto preprosta števila, kot sta ½ in -⅓. Na primer, hitrosti delcev lahko v enem trenutku spremenimo v skladu s kazalnikom skaliranja, tako da dobimo razporeditev hitrosti kadar koli pozneje ali prej. Zdi se, da vse vrste kvantnih sistemov v različnih ekstremnih izhodiščnih pogojih spadajo v ta fraktalno podoben vzorec, ki je časovno razviden iz univerzalnega merjenja pred prehodom na standardno termalizacijo.

"To delo se mi zdi vznemirljivo, saj izvleče poenotelen princip, ki ga lahko uporabimo za razumevanje velikih razredov sistemov, ki niso ravnotežni," je dejala Nicole Yunger Halpern, kvantna fizika na univerzi Harvard, ki ni vključena v delo. "Te študije ponujajo upanje, da bomo lahko opisali celo te zelo zmedene, zapletene sisteme s preprostimi vzorci."

Ko mešate kavo, energija, ki jo vbrizgate v sistem, pada skozi prostorske lestvice v manjše in manjše vrtine, s hitrostjo prenosa energije, ki jo opisuje univerzalni eksponentni faktor razpadanja, 5/3.

Berges je na splošno viden kot vodilni teoretični napor, serija semenskih prispevkov od leta 2008 razjasni fiziko univerzalnega skaliranja. Njegov soavtor je to pomlad naredil še en korak v prispevku v Pisma o fizičnem pregledu ki je raziskal "naknadno skaliranje", naraščalo do univerzalnega skaliranja. Skupina, ki jo je vodil Thomas Gasenzer iz Heidelberga, je prav tako preiskovala preskušanje v a PRL papirja v maju, ki ponuja globlji pogled na začetek fraktalnega vedenja.

Nekateri raziskovalci zdaj raziskujejo daleč od ravnotežne dinamike v laboratoriju, medtem ko se drugi kopajo v izvor univerzalnih števil. Strokovnjaki pravijo, da univerzalno skaliranje pomaga tudi pri reševanju globokih konceptualnih vprašanj o tem, kako so kvantni sistemi sploh sposobni toplote.

Na različnih frontah je "kaotičen napredek", je dejal Zoran Hadzibabic z univerze v Cambridgeu. On in njegova ekipa preučujejo univerzalno skaliranje v vročem plinu kalijevih atomov 39, tako da nenadoma povečajo moč interakcije atomov, nato pa jih pustijo, da se razvijajo.

Energetske kaskade

Ko je Berges začel proučevati daleč od ravnotežne dinamike, je želel razumeti ekstremne razmere na začetku vesolja, ko so nastali delci, ki zdaj naseljujejo vesolje.

Do teh razmer bi prišlo takoj po "kozmični inflaciji" – eksplozivni razširitvi vesolja, ki so jo mnogi kozmologi mislili, da so začeli Veliki prasak. Inflacija bi odpihnila vse obstoječe delce, pri čemer bi pustila samo enotno energijo prostora: popolnoma gladko, gosto, nihajno polje energije, znano kot "kondenzat". Berges je ta kondenzat modeliral leta 2008 s sodelavcema Alexander Rothkopf in Jonasom Schmidtom, in odkrili so, da naj bi prve stopnje njegove evolucije pokazale fraktalno podobno univerzalno skaliranje. "Ugotovite, da ko ta velik kondenzat razpade na delce, ki jih opazimo danes, lahko ta postopek zelo elegantno opišemo z nekaj številkami," je dejal.

Če želite razumeti, kako izgleda ta univerzalni fenomen skaliranja, razmislite o zgodovinskem predhodniku nedavnih odkritij. Leta 1941 je ruski matematik Andrey Kolmogorov opisal način, kako energija "kaskadi" skozi burne tekočine. Na primer, ko mešate kavo, ustvarite vrtinec v velikem prostorskem merilu. Kolmogorov je spoznal, da bo ta vrtinec spontano ustvaril manjše vrtince, ki bodo sprožili še manjše vrtince. Ko mešate kavo, energija, ki jo vbrizgate v sistem, spušča prostorske lestvice v manjše in manjše vrtine, s hitrostjo prenosa energije, ki jo opisuje univerzalni eksponentni faktor razpadanja -5/3, ki ga je Kolmogorov sklepal iz dimenzije tekočine

Kolmogorov zakon "-5/3" se je vedno zdel skrivnosten, čeprav je služil kot temelj raziskovanja turbulence. Zdaj pa fiziki v bistvu najdejo enak kaskaden, fraktalni pojav univerzalnega skaliranja v dinamiki, ki je daleč od ravnovesja. Po Bergesovem mnenju energetske kaskade verjetno nastajajo v obeh okoliščinah, ker so najučinkovitejši način za distribucijo energije po lestvicah. To nagonsko vemo. "Če želite sladkor dodati v kavo, ga premešajte," je dejal Berges – v nasprotju s tem, da bi ga stresel. "Veste, da je to najučinkovitejši način za prerazporeditev energije."

Obstaja ena ključnih razlik med univerzalnim fenomenom skaliranja v sistemih, ki so daleč od ravnotežja, in fraktalnimi vrtljaji v turbulentni tekočini: V primeru tekočine Kolmogorov zakon opisuje energijo, ki kaskadno vpliva na prostorske dimenzije. V novem delu raziskovalci vidijo daleč od ravnotežnih sistemov, ki so pod fraktalnim univerzalnim skaliranjem v času in prostoru.

Vzemite rojstvo vesolja. Po kozmični inflaciji bi se hipotetični nihajni kondenzat, ki polni vesolje, hitro spremenil v gosto polje kvantnih delcev, ki bi se vsi gibali z enako značilno hitrostjo. Berges in njegovi sodelavci domnevajo, da so potem ti delci, ki so daleč od ravnovesja, pokazali fraktalno skaliranje, ki ga urejajo univerzalni kazalci skaliranja, ko so začeli toplotno evolucijo vesolja.

Lucy Reading-Ikkanda / revija Quanta

Po izračunih ekipe in računalniških simulacijah bi namesto ene kaskade, kot je bila ta v burni tekočini, dve kaskadi, ki bi šli v nasprotni smeri. Večina delcev v sistemu bi se iz trenutka v trenutek upočasnila, s kaskadno in počasnejšo hitrostjo z značilno hitrostjo – v tem primeru z eksponentom skaliranja približno -3/2. Sčasoma bi se ustavili in ustvarili še en kondenzat. (Ta ne bi nihal ali se preoblikoval v delce; namesto tega bi postopoma razpadel.) Medtem bi večina energije, ki zapusti počasne delce, padla na nekaj delcev, ki so pridobili hitrost s hitrostjo, ki jo ureja eksponent ½. V bistvu so se ti delci začeli premikati izjemno hitro.

Hitri delci bi nato razpadli v kvarke, elektrone in druge elementarne delce, ki obstajajo danes. Ti delci bi nato bili podvrženi standardni termalizaciji, ki bi se razpršili drug od drugega in razdelili svojo energijo. Ta proces še vedno poteka v današnjem vesolju in se bo nadaljeval trilijone let.

Pojavlja se preprostost

Idej o zgodnjem vesolju ni težko preizkusiti. Toda okoli leta 2012 so raziskovalci ugotovili, da se pri poskusih pojavi tudi daleč od ravnotežja, in sicer, ko se težka atomska jedra razbijejo skoraj s hitrostjo svetlobe na relativističnem težkem ionskem trku v New Yorku in na evropskem velikem hadronskem trkalniku. .

Ti jedrski trki ustvarjajo skrajne konfiguracije materije in energije, ki se nato začnejo sproščati proti ravnovesju. Morda mislite, da bi trki povzročili zapleten nered. Toda ko sta Berges in njegovi sodelavci teoretično analizirali trke, so ugotovili strukturo in preprostost. Dinamika, je dejal Berges, "se lahko kodira v nekaj številkah."

Vzorec se je nadaljeval. Okrog leta 2015 so Berges, Gasenzer in drugi teoretiki po pogovoru z eksperimentalisti, ki so v laboratoriju sondirali ultrahladne atomske pline, izračunali, da bi morali ti sistemi pokazati tudi univerzalno skaliranje, potem ko se hitro ohladijo na razmere, ki so izjemno daleč od ravnovesja.

Lani jeseni sta se dve skupini – eno pod vodstvom Markusa Oberthalerofa Heidelberga, drugo pa Jörga Schmiedmayerja z dunajskega Centra za kvantno znanost in tehnologijo – hkrati poročali v Narava da so opazili fraktalno univerzalno skaliranje na način, kako so se v prostoru in času spreminjale različne lastnosti atomov 100.000 ali približno toliko v njihovih plinih. "Spet se pojavi preprostost," je dejal Berges, ki je eden prvih napovedal pojav v takšnih sistemih. »Vidite, da lahko dinamiko opišete z nekaj kazalniki skaliranja in univerzalnimi funkcijami skaliranja. In nekateri od njih so se izkazali za enake tistemu, kar so predvidevali za delce v zgodnjem vesolju. To je univerzalnost. "

Raziskovalci zdaj verjamejo, da se pojav univerzalnega skaliranja pojavlja na nanokelvinski lestvici ultrahladnih atomov, 10-bilijonskih kelvinskih lestvicah jedrskih trkov in 10.000-trilijonskih kelvinskih lestvicah zgodnjega vesolja. "To je bistvo univerzalnosti – da lahko pričakujete, da boste te pojave videli na različnih energijskih in dolžinskih lestvicah," je dejal Berges.

Primer zgodnjega vesolja je lahko najbolj zanimiv, vendar so zelo nadzorovani, izolirani laboratorijski sistemi, ki znanstvenikom omogočajo izsiljevanje univerzalnih pravil, ki urejajo začetne stopnje sprememb. "Vemo, da je vse v škatlici," je dejal Hadžibabič. "Ta izolacija od okolja vam omogoča, da proučite pojav v čisti obliki."

Eden glavnih ciljev je bil ugotoviti, od kod prihajajo kazalniki skaliranja sistemov. V nekaterih primerih so strokovnjaki izsledili kazalnike števila prostorskih dimenzij, ki jih sistem zaseda, in njegovih simetrij – torej na vse načine, kako se lahko spremeni, ne da bi se spremenil (tako kot kvadrat ostane enak, če ga zasučemo za 90 stopinj ).

Ta spoznanja pomagajo rešiti paradoks o tem, kaj se zgodi s podatki o preteklosti, ko se sistemi termizirajo. Kvantna mehanika zahteva, da se, ko se delci razvijajo, informacije o njihovi preteklosti nikoli ne izgubijo. In vendar se zdi, da je termalizacija temu v nasprotju: Če sta dve zapostavljeni skodelici kave na sobni temperaturi, kako lahko ugotovite, katera se je začela bolj vročo?

Zdi se, da ko se sistem začne razvijati, se ključne podrobnosti, kot so njegove simetrije, ohranijo in se kodirajo v eksponente skaliranja, ki narekujejo njegovo fraktalno evolucijo, medtem ko druge podrobnosti, kot je začetna konfiguracija njegovih delcev ali medsebojnih vplivov, postanejo nepomembne. do njegovega vedenja, ki je brskal med njegovimi delci.

In ta postopek pospravljanja se zgodi zelo zgodaj. Berges, Gasenzer in njihovi sodelavci so letos spomladi prvič neodvisno opisali klicanje, obdobje pred univerzalnim skaliranjem, ki so ga njihovi dokumenti napovedovali za jedrske trke in ultrahladne atome. Pozicioniranje kaže, da ko se sistem prvič razvije iz prvotnega, daleč od ravnotežnega stanja, ga kazalniki skaliranja še ne opisujejo popolnoma. Sistem ohrani del svoje prejšnje strukture – ostanke prvotne konfiguracije. Ker pa napredek prihaja do napredka, sistem prevzame bolj univerzalno obliko v prostoru in času, kar v bistvu zakriva nepomembne informacije o lastni preteklosti. Če bodo tej zamisli podkrepili prihodnji poskusi, je priklic lahko časovno puščanje puščice na premcu.

Izvirna zgodba je ponatisnjena z dovoljenjem s strani Revija Quanta, uredniška neodvisna publikacija fundacije Simons, katere poslanstvo je izboljšati javno razumevanje znanosti z zajetjem raziskovalnega razvoja in trendov matematike ter fizikalnih in življenjskih ved.


Več odličnih Zgodovinskih zgodb