Нові дослідження пов'язують викривлення великомасштабних дисків матеріалу у Всесвіті з рівнянням Шредінгера, яке описує квантово-механічну поведінку атомних та субатомних об'єктів.
(Зображення: © James Tuttle Keane / Каліфорнійський технологічний інститут)
Величезні диски зірок або сміття можуть діяти за тими ж правилами, що і субатомні частинки, змінюючись на основі рівняння Шродінгера, які фізики використовують для моделювання квантово-механічних систем.
Перегляд космічних структур з цим рівнянням може дати нові уявлення про те, як розвиваються галактики, а також розкрити підказки про механіку ранньої Сонячної системи та дії кілець, що обходять дальні планети, повідомляє нове дослідження.
Дослідник Каліфорнійського технологічного інституту Костянтин Батигін, автор нового дослідження, не сподівався знайти саме таке рівняння під час вивчення цих астрофізичних дисків. "У той час я був повністю забитий", - сказав Батигін для Space.com. "Я очікував, що з'явиться регулярне хвильове рівняння, щось на зразок хвилі струни чи щось подібне. І натомість я отримую це рівняння, яке справді є наріжним каменем квантової механіки". [Диск "Літаюча тарілка" на планеті - дивовижно класно (відео)]
Використовуючи рівняння Шредінгера, фізики можуть інтерпретувати взаємодії систем на атомних і субатомних масштабах як хвилями, так і частинками - ключове поняття в квантовій механіці, яке описує іноді неінтуїтивну поведінку цих систем. Виявляється, викривлення астрофізичних дисків теж може діяти як частинки.
"Зрештою, коли я дивлюся на проблему зараз, я здивований тому, що я не просто здогадувався, що це саме так буде", - сказав Батигін, який, мабуть, найвідоміший (для тих, хто не є людьми) для співпраці. автор 2016 року дослідження з колегою-дослідником Caltech Майком Брауном, який виявив докази можливої нерозкритої «планети дев’ять» у темних глибинах нашої зовнішньої сонячної системи.
Вибух з минулого
Батигін натрапив на зв’язок під час викладання класу. Він намагався пояснити, як хвилі пересуваються через широкі диски, які є основою космічної архітектури - наприклад, такі диски побудовані із зірок навколо надмасивних чорних дір у центрі галактики, і зроблені з пилу та сміття у новонародженій зорі. Диски згинаються та перекручуються складно, що поточне моделювання не може впоратись із усіма масштабами часу. Вчені можуть обчислити свої дії за дуже короткі проміжки часу, як, наприклад, те, що відбувається на кількох орбітах, а також те, як вони будуть розсіюватися протягом усього життя, але не як і чому вони будуть змінюватися в порядку сотень тисяч років.
"Це може статися, і ти не знаєш чому - це складна система, тому ти просто бачиш, як розгортаються речі, бачиш, як розгортається якась динамічна еволюція", - сказав Батигін. "Якщо у вас немає цієї жахливо складної фізичної інтуїції, ви просто не розумієте, що відбувається у вашому моделюванні."
Щоб слідкувати за розробкою диска, Батигін запозичив фокус з 1770-х років: обчисливши, як математики Джозеф-Луї Лагранж та П'єр-Саймон Лаплас моделювали Сонячну систему у вигляді серії гігантських петель, що слідують за орбітами планет. Незважаючи на те, що модель не була корисною для коротких часових інтервалів декількох ланцюгів навколо Сонця, вона могла точно зобразити взаємодію орбіт між собою з часом.
Замість моделювання орбіт окремих планет Батигін використав серію тонших і тонших кілець, щоб зобразити різні шматки астрофізичного диска, як шари цибулі, кожен прив’язаний до маси орбітальних тіл у цьому регіоні. Гравітаційні взаємодії кілець один з одним міг моделювати, як диск буде перекручуватися та змінюватися.
І коли система стала надто складною для обчислення вручну або за комп’ютером, коли він додав більше кілець, він використав математичний ярлик для перетворення на опис нескінченного числа нескінченно тонких кілець.
"Це лише широко відомий математичний результат, який використовується у фізиці зліва і справа", - сказав Батигін. Але все-таки якось ніхто не скористався таким чином, щоб моделювати астрофізичний диск таким чином.
"Що насправді примітно для мене, це те, що ніхто раніше не розмивав [кільця] у континуум", - сказав він. "Це здається таким очевидним в ретроспективі, і я не знаю, чому я не думав про це раніше".
Коли Батигін пройшов ці підрахунки, він знайшов рівняння, що виникає, напрочуд знайомим.
"Звичайно, обидва пов'язані, правда? У квантовій механіці ви ставитеся до частинок як до хвиль", - сказав він. "З ретроспективою, це майже інтуїтивно зрозуміло, що ви повинні отримати щось на зразок рівняння Шродінгера, але в той час я справді був щиро здивований". Рівняння спливало раніше несподівано, додав він - наприклад, в описах океанських хвиль, а також у тому, як рухається світло через певні нелінійні носії.
"Що показує моє дослідження, це те, що тривала поведінка астрофізичних дисків, те, як вони згинаються і перекручуються, приєднується до цієї групи класичних контекстів, які можна зрозуміти по суті в квантових рамках", - сказав Батигін.
Нові результати викликають цікаву аналогію між двома ситуаціями: шлях, коли хвилі рухаються через астрофізичні диски, відскакуючи від внутрішнього та зовнішнього краю, рівнозначний тому, як одна квантова частинка відскакує вперед і назад між двома стінками, сказав він.
Пошук цієї еквівалентності має один цікавий наслідок: Батигін зміг запозичити частину роботи, яку виконали дослідники, які вже широко вивчали та працювали в цій квантовій ситуації, а потім інтерпретувати рівняння у цьому новому контексті, щоб зрозуміти, як диски реагують на зовнішні потяги та збурення.
"Фізики мають багато досвіду з рівнянням Шредінгера; він виходить вже на 100 років", - розповів Space.com Грег Лофлін, астрофізик з Єльського університету, який не займався дослідженням. "І дуже багато глибоких думок пішло в розумінні її наслідків. І так, що цілі споруди тепер можна застосувати до еволюції дисків".
"І для когось, як я, - хто, мабуть, має кращий сенс, хоча і недосконалий, що роблять протозоряні диски - це також дає можливість піти іншим шляхом і, можливо, отримати глибше уявлення про квантові системи, використовуючи аналогію диска", додано. "Я думаю, що це буде викликати багато уваги та інтересу, ймовірно, побоювання. І в кінцевому підсумку я думаю, що це буде дійсно цікава подія".
Рамка розуміння
Батигін сподівається застосувати рівняння для розуміння багатьох різних граней астрофізичних дисків.
"Те, що я представив у цій роботі, є основою", - сказав Батигін. "Я напав на одну конкретну проблему з нею, яка полягає в жорсткості диска - те, наскільки диск може залишатися гравітаційно жорстким під зовнішніми збуреннями. Існує широкий спектр додаткових додатків, які я зараз розглядаю".
Одним із прикладів є еволюція диска сміття, який врешті-решт сформував нашу Сонячну систему, сказав Батигін. Інша динаміка кілець навколо позасонячних планет. І третя - диск зірок, що оточує чорну діру в центрі Чумацького Шляху, який сам сильно зігнутий.
Лофлін зазначив, що робота повинна бути особливо корисною для покращення розуміння дослідниками систем новонароджених зірок, оскільки їх важче спостерігати здалеку, і в даний час дослідники не можуть моделювати їх розвиток від початку до кінця.
"Математичні рамки, які Костянтин зібрав, - це хороший приклад того, що насправді може допомогти нам зрозуміти, як поводяться об'єкти, що мають сотні тисяч орбіт, як диски, що утворюють планету", - сказав він.
За словами Фреда Адамса, астрофізика з Мічиганського університету, який не брав участі в дослідженні, ця нова робота є найбільш корисною для систем, в яких масштабні сили тяжіння скасовуються. Для систем із складнішими гравітаційними впливами, як, наприклад, галактики з дуже чіткими спіральними руками, знадобиться якась інша стратегія моделювання. Але для цього класу проблем це цікава варіація наближення хвиль в астрофізичних дисках, сказав він.
"Дослідження в будь-якій галузі, включаючи циркулярні диски, завжди виграють від розробки та використання нових інструментів", - сказав Адамс. "Цей документ представляє розробку нового аналітичного інструменту або нового повороту на старих інструментах, залежно від того, як ви на це дивитесь. Так чи інакше, це ще одна деталь великої головоломки".
Рамка дозволить дослідникам зрозуміти структури, які астрономи бачать на нічному небі по-новому: Хоча ці диски змінюються на набагато довші часові шкали, ніж люди можуть спостерігати, рівняння можна застосувати, щоб зрозуміти, як система дійшла до точки, яку ми бачимо сьогодні, і як це може змінитися в майбутньому, сказав Батигін. І все це засноване на математиці, яка зазвичай описує неймовірно швидкі, швидкоплинні взаємодії.
"Існує ця інтригуюча взаємність між математикою, яка керує поведінкою субатомного світу, і математикою, яка керує поведінкою [і] довгостроковою еволюцією цих астрономічних речей, які розгортаються на набагато довші часові шкали", - додав він. "Це, я думаю, є надзвичайним та інтригуючим наслідком".
Нова робота була детально викладена сьогодні (5 березня) у журналі "Щомісячні повідомлення" Королівського астрономічного товариства.
