โครงสร้างพื้นที่ขนาดใหญ่มีการเชื่อมต่อที่น่าแปลกใจกับคณิตศาสตร์ควอนตัมกลศาสตร์

งานวิจัยใหม่เชื่อมโยงการแปรปรวนของวัตถุขนาดใหญ่ในเอกภพด้วยสมการชโรดิงเงอร์ซึ่งอธิบายพฤติกรรมเชิงกลควอนตัมของวัตถุอะตอมและอะตอมเชิงอะตอม

(ภาพ: © James Tuttle Keane / สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย)

ดิสก์ขนาดใหญ่ของดาวหรือเศษสามารถทำงานภายใต้กฎเดียวกับอนุภาค subatomic เปลี่ยนไปตามสมการชโรดิงเงอร์ซึ่งนักฟิสิกส์ใช้ในการสร้างแบบจำลองระบบเชิงกลควอนตัม

การดูโครงสร้างอวกาศด้วยสมการนั้นสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ เกี่ยวกับการวิวัฒนาการของกาแลคซีรวมถึงเผยเบาะแสเกี่ยวกับกลไกของระบบสุริยะยุคแรกและการกระทำของวงแหวนรอบดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลออกไปรายงานการศึกษาใหม่

นักวิจัยสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย Konstantin Batygin ผู้เขียนการศึกษาใหม่ไม่ได้คาดหวังว่าจะพบสมการเฉพาะนั้นเมื่อศึกษาดิสก์ astrophysical "ในเวลานั้นฉันปูพื้นอย่างสมบูรณ์" Batygin กล่าวกับ Space.com "ฉันคาดหวังว่าสมการคลื่นปกติจะปรากฏขึ้นเช่นคลื่นของสตริงหรืออะไรทำนองนั้นและฉันก็ได้สมการนี้มาซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของกลศาสตร์ควอนตัม" [ดิสก์อาคารจานบิน 'สร้างความเย็นอย่างน่าประหลาดใจ (วิดีโอ)]

การใช้สมการชโรดิงเงอนักฟิสิกส์สามารถตีความการโต้ตอบของระบบในระดับอะตอมและระดับอะตอมในแง่ของคลื่นเช่นเดียวกับอนุภาค - แนวคิดหลักในกลศาสตร์ควอนตัมที่อธิบายพฤติกรรมที่ไม่ได้ใช้งานของระบบเหล่านั้นในบางครั้ง ปรากฎว่าการแปรปรวนของดิสก์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถทำหน้าที่เหมือนอนุภาคได้เช่นกัน

“ เมื่อมองย้อนกลับไปเมื่อฉันมองปัญหาตอนนี้ฉันประหลาดใจที่ฉันไม่ได้แค่เดาว่านั่นคือสิ่งที่มันจะเป็นไปได้” Batygin ผู้ซึ่งอาจเป็นที่รู้จักกันเป็นอย่างดี การสร้างการศึกษาปี 2559 ร่วมกับนักวิจัยไมค์บราวน์ซึ่งพบหลักฐานว่ามี "Planet Nine" ที่ยังไม่ถูกค้นพบที่เป็นไปได้ในระดับความมืดของระบบสุริยะนอกของเรา

ระเบิดจากที่ผ่านมา

Batygin พบความเชื่อมโยงเมื่อสอนชั้นเรียน เขาพยายามอธิบายว่าคลื่นเดินทางผ่านดิสก์วงกว้างที่เป็นแก่นของสถาปัตยกรรมอวกาศได้อย่างไรเช่นดิสก์นั้นถูกสร้างขึ้นจากดาวฤกษ์รอบ ๆ หลุมดำมวลยวดยิ่งที่ใจกลางกาแลคซีและสร้างฝุ่นและเศษเล็กเศษน้อยในระบบดาวฤกษ์เกิดใหม่ ดิสก์โค้งงอและแปรปรวนด้วยวิธีที่ซับซ้อนซึ่งการสร้างแบบจำลองปัจจุบันไม่สามารถจัดการได้ในทุกช่วงเวลา นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณการกระทำของพวกเขาในช่วงเวลาสั้น ๆ เช่นสิ่งที่เกิดขึ้นในวงโคจรสองสามดวงรวมถึงวิธีที่พวกมันจะกระจายไปตลอดชีวิต แต่ไม่ใช่ว่าจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรและทำไมตามลำดับเป็นเวลานับแสนปี

"สิ่งต่าง ๆ อาจเกิดขึ้นและคุณไม่รู้จริง ๆ ว่าเพราะอะไร - เป็นระบบที่ซับซ้อนดังนั้นคุณจะเห็นสิ่งที่คลี่คลายออกมาดูวิวัฒนาการของพลังงานที่แผ่ออกไป" Batygin กล่าว "ถ้าคุณไม่มีสัญชาตญาณทางร่างกายที่ซับซ้อนอย่างยิ่งยวดนี้คุณก็ไม่เข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นกับสถานการณ์จำลอง"

เพื่อติดตามการพัฒนาของดิสก์ Batygin ยืมกลอุบายจากยุค 1770: การคำนวณทางคณิตศาสตร์โจเซฟ - หลุยส์ลากรองจ์และปิแอร์ - ไซม่อน Laplace จำลองระบบสุริยะเป็นชุดของลูปยักษ์ตามวงโคจรของดาวเคราะห์ ในขณะที่แบบจำลองไม่ได้มีประโยชน์ในช่วงเวลาสั้น ๆ ของวงจรไม่กี่ดวงรอบดวงอาทิตย์ แต่ก็สามารถอธิบายการปฏิสัมพันธ์ของวงโคจรกับอีกช่วงเวลาหนึ่งได้อย่างแม่นยำ

แทนที่จะเป็นแบบจำลองการโคจรของดาวเคราะห์แต่ละดวง Batygin ใช้ชุดของแหวนทินเนอร์และทินเนอร์เพื่อเป็นตัวแทนชิ้นส่วนที่แตกต่างกันของดิสก์ Astrophysical เช่นชั้นของหัวหอมแต่ละชั้นเชื่อมโยงกับมวลของวัตถุที่โคจรอยู่ภายในภูมิภาคนั้น ซึ่งกันและกันสามารถสร้างแบบจำลองวิธีที่ดิสก์จะแปรปรวนและเปลี่ยนแปลง

และเมื่อระบบมีความซับซ้อนเกินกว่าที่จะคำนวณด้วยมือหรือบนคอมพิวเตอร์ในขณะที่เขาเพิ่มเสียงเรียกเข้ามากขึ้นเขาใช้ทางลัดทางคณิตศาสตร์ในการแปลงเพื่ออธิบายจำนวนวงแหวนบางที่ไม่ จำกัด จำนวนอนันต์

"นี่เป็นเพียงผลทางคณิตศาสตร์ที่รู้จักกันอย่างกว้างขวางซึ่งใช้ในฟิสิกส์ทางซ้ายและขวา" Batygin กล่าว แต่อย่างใดก็ไม่มีใครได้ก้าวกระโดดเพื่อสร้างแบบจำลองดิสก์ดาราศาสตร์

“ สิ่งที่น่าทึ่งสำหรับฉันอย่างแท้จริงคือไม่มีใครทำเบลอ [วงแหวน] ให้กลายเป็นสิ่งที่ต่อเนื่องกันมาก่อน” เขากล่าว "ดูเหมือนว่าจะชัดเจนในการหวนกลับและฉันไม่รู้ว่าทำไมฉันไม่คิดว่ามันเร็วกว่านี้"

เมื่อ Batygin ผ่านการคำนวณเหล่านั้นเขาพบว่าสมการที่เกิดขึ้นใหม่ที่คุ้นเคยอย่างน่าประหลาดใจ

“ แน่นอนทั้งสองเกี่ยวข้องกันใช่ไหมในกลศาสตร์ควอนตัมคุณถือว่าอนุภาคเป็นคลื่น” เขากล่าว “ เมื่อมองย้อนกลับไปมันเป็นเรื่องที่เข้าใจได้ง่ายมากว่าคุณควรได้สมการ Schrodinger แต่ในเวลานั้นฉันรู้สึกประหลาดใจจริงๆ” สมการได้ผุดขึ้นอย่างไม่คาดคิดมาก่อนเขาเสริม - ในรายละเอียดของคลื่นทะเลเช่นเดียวกับวิธีที่แสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่ไม่เป็นเชิงเส้น

การวิจัยของฉันแสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมระยะยาวของดิสก์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์วิธีที่มันโค้งงอและโค้งเข้ากับบริบทกลุ่มคลาสสิกกลุ่มนี้ซึ่งสามารถเข้าใจได้ในกรอบควอนตัมเป็นหลัก

ผลลัพธ์ใหม่ทำให้เกิดการเปรียบเทียบที่น่าสนใจระหว่างสองสถานการณ์: วิธีที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านดิสก์ astrophysical ซึ่งกระดอนจากขอบด้านในและด้านนอกเทียบเท่ากับการที่อนุภาคควอนตัมเดี่ยวกระเด้งกลับไปกลับมาระหว่างผนังทั้งสอง

การค้นหาความเท่าเทียมนี้มีผลที่น่าสนใจอย่างหนึ่ง: Batygin สามารถยืมงานบางชิ้นที่ทำโดยนักวิจัยที่ได้ศึกษาและทำงานผ่านสถานการณ์ควอนตัมนี้อย่างกว้างขวางแล้วตีความสมการในบริบทใหม่นี้เพื่อทำความเข้าใจว่าดิสก์ตอบสนองอย่างไร เยี่ยงอย่าง

"นักฟิสิกส์มีประสบการณ์มากมายกับสมการชโรดิงเงอร์ตอนนี้มันมีอายุมากกว่า 100 ปีแล้ว" เกร็กลาฟลินนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเยลซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาบอก Space.com "และความคิดที่ลึกล้ำมากมายได้ทำความเข้าใจเรื่องการแยกตัวของมันและเพื่อให้สิ่งปลูกสร้างทั้งหมดสามารถนำไปใช้กับวิวัฒนาการของดิสก์ได้"

"และสำหรับใครบางคนอย่างฉัน - ผู้ซึ่งยอมรับความรู้สึกที่ดีกว่าถึงแม้ว่าข้อบกพร่องของดิสก์โปรโตเทลลาร์ทำอะไร - นี่ยังให้โอกาสในการใช้วิธีอื่นและอาจได้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับระบบควอนตัมโดยใช้การเปรียบเทียบดิสก์" ที่เพิ่ม “ ฉันคิดว่ามันจะจุดประกายความสนใจและความสนใจอาจจะตกตะลึงและท้ายที่สุดฉันคิดว่ามันจะเป็นการพัฒนาที่น่าสนใจจริงๆ”

กรอบความเข้าใจ

Batygin ตั้งตารอที่จะใช้สมการเพื่อทำความเข้าใจกับแง่มุมต่าง ๆ ของดิสก์ astrophysical

"สิ่งที่ฉันได้นำเสนอในบทความนี้เป็นโครงงาน" Batygin กล่าว "ฉันได้โจมตีปัญหาหนึ่งโดยเฉพาะกับปัญหานี้ซึ่งเป็นปัญหาของความแข็งแกร่งของดิสก์ - ขอบเขตที่ดิสก์สามารถคงอยู่ได้ด้วยความโน้มถ่วงภายใต้การก่อกวนจากภายนอกมีแอพพลิเคชั่นเพิ่มเติมมากมายที่ฉันมองเข้าไปในขณะนี้"

ตัวอย่างหนึ่งคือวิวัฒนาการของดิสก์ของเศษซากที่ก่อตัวระบบสุริยะของเราในที่สุด Batygin กล่าว อีกอย่างคือพลวัตของวงแหวนรอบดาวเคราะห์นอกระบบ และหนึ่งในสามคือดิสก์ของดาวฤกษ์ที่อยู่รอบ ๆ หลุมดำที่ใจกลางของทางช้างเผือก

Laughlin กล่าวว่างานควรมีประโยชน์อย่างยิ่งในการปรับปรุงความเข้าใจของนักวิจัยเกี่ยวกับระบบดาวฤกษ์เกิดใหม่เพราะมันยากที่จะสังเกตได้จากระยะไกลและในปัจจุบันนักวิจัยไม่สามารถจำลองการพัฒนาของพวกเขาได้ตั้งแต่ต้นจนจบ

“ กรอบทางคณิตศาสตร์ที่ Konstantin ได้รวบรวมไว้เป็นตัวอย่างที่ดีของสิ่งที่อาจช่วยให้เราเข้าใจว่าวัตถุที่มีวงโคจรนับแสนมีอายุเช่นเดียวกับดิสก์ก่อตัวดาวเคราะห์ทำงานอย่างไร” เขากล่าว

Fred Adams นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จาก University of Michigan ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษากล่าวว่างานใหม่นี้มีประโยชน์มากที่สุดสำหรับระบบที่มีผลกระทบต่อแรงโน้มถ่วงขนาดใหญ่ยกเลิก สำหรับระบบที่มีอิทธิพลต่อแรงโน้มถ่วงที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่นกาแลคซีที่มีแขนกังหันที่แตกต่างกันมากจำเป็นต้องใช้กลยุทธ์การสร้างแบบจำลองอื่น ๆ แต่สำหรับปัญหาในระดับนี้มันเป็นรูปแบบที่น่าสนใจในการประมาณคลื่นในดิสก์ astrophysical เขากล่าว

“ การวิจัยในทุกสาขารวมถึงดิสก์วงเวียนนั้นได้รับประโยชน์จากการพัฒนาและการใช้เครื่องมือใหม่ ๆ อยู่เสมอ” อดัมส์กล่าว "บทความนี้แสดงให้เห็นถึงการพัฒนาเครื่องมือวิเคราะห์ใหม่หรือการบิดตัวใหม่ของเครื่องมือรุ่นเก่าขึ้นอยู่กับว่าคุณมองอย่างไรไม่ว่าจะด้วยวิธีใดมันเป็นปริศนาชิ้นใหญ่อีกชิ้นหนึ่ง"

กรอบการทำงานจะช่วยให้นักวิจัยเข้าใจโครงสร้างของนักดาราศาสตร์ที่เห็นในท้องฟ้ายามค่ำคืนในรูปแบบใหม่: ในขณะที่ดิสก์เหล่านี้มีการเปลี่ยนแปลงในระยะเวลานานกว่ามนุษย์สามารถสังเกตเห็นได้ แต่สมการนี้สามารถนำมาใช้เพื่อหาว่าระบบได้มาถึงจุดอย่างไร วันนี้และวิธีการที่อาจมีการเปลี่ยนแปลงในอนาคต Batygin กล่าว และทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับคณิตศาสตร์ซึ่งมักจะอธิบายการโต้ตอบที่รวดเร็วและน่าเหลือเชื่ออย่างไม่น่าเชื่อ

“ มีการแลกเปลี่ยนซึ่งกันและกันที่น่าสนใจระหว่างคณิตศาสตร์ที่ควบคุมพฤติกรรมของโลก subatomic และคณิตศาสตร์ที่ควบคุมพฤติกรรม [และ] วิวัฒนาการระยะยาวของสิ่งทางดาราศาสตร์เหล่านี้ซึ่งแผ่ออกไปเป็นระยะเวลานานมากขึ้น” เขากล่าวเสริม "ฉันคิดว่านั่นเป็นผลลัพธ์ที่น่าทึ่งและน่าสนใจ"

งานใหม่มีรายละเอียดในวันนี้ (5 มีนาคม) ในวารสารประกาศรายเดือนของสมาคมดาราศาสตร์