Новое исследование связывает деформацию крупномасштабных дисков материала во Вселенной с уравнением Шредингера, которое описывает квантово-механическое поведение атомных и субатомных объектов.
(Изображение: © James Tuttle Keane / Калифорнийский технологический институт)
Огромные диски звезд или обломков могут работать по тем же правилам, что и субатомные частицы, изменяясь в зависимости от уравнения Шредингера, которое физики используют для моделирования квантово-механических систем.
Просмотр новых космических структур с помощью этого уравнения может дать новое понимание того, как развиваются галактики, а также раскрыть подсказки о механике ранней солнечной системы и о действии колец, окружающих далекие планеты.
Исследователь Калифорнийского технологического института Константин Батыгин, автор нового исследования, не ожидал найти это конкретное уравнение при изучении этих астрофизических дисков. «В то время я был полностью сбит с толку», - сказал Батыгин Space.com. «Я ожидал, что появится регулярное волновое уравнение, что-то вроде волны струны или что-то в этом роде. И вместо этого я получаю это уравнение, которое действительно является краеугольным камнем квантовой механики». [Диск «Летающая тарелка» на планете на удивление крут (видео)]
Используя уравнение Шредингера, физики могут интерпретировать взаимодействия систем на атомном и субатомном уровнях в терминах волн, а также частиц - ключевое понятие в квантовой механике, которое описывает иногда неинтуитивное поведение этих систем. Оказывается, искривление астрофизических дисков тоже может действовать как частицы.
«Оглядываясь назад, теперь, когда я смотрю на проблему, я удивляюсь тому, как я не просто догадался, что это будет так, - сказал Батыгин, который, пожалуй, наиболее известен (во всяком случае, мирянам) для автор исследования 2016 года с коллегой-исследователем из Калифорнийского технологического института Майком Брауном, который нашел доказательства возможной необнаруженной «Планеты Девяти» в темных глубинах нашей внешней солнечной системы.
Взрыв из прошлого
Батыгин наткнулся на связь при обучении в классе. Он пытался объяснить, как волны проходят через широкие диски, которые являются основой космической архитектуры - например, такие диски построены из звезд вокруг сверхмассивных черных дыр в центре галактики и сделаны из пыли и мусора в новорожденной звездной системе. Диски изгибаются и деформируются сложным образом, который текущее моделирование не может обрабатывать во всех временных масштабах. Ученые могут рассчитывать свои действия за очень короткие промежутки времени, например, то, что происходит на нескольких орбитах, а также то, как они будут рассеиваться в течение всей жизни, но не то, как и почему они изменятся на сотни тысяч лет.
«Могут случиться вещи, и вы действительно не знаете, почему - это сложная система, поэтому вы просто видите, как разворачиваются вещи, видите, как разворачивается какая-то динамическая эволюция», - сказал Батыгин. «Если у вас нет этой чудовищно сложной физической интуиции, вы просто не поймете, что происходит в вашей симуляции».
Чтобы проследить развитие диска, Батыгин позаимствовал уловку из 1770-х годов: вычисление того, как математики Жозеф-Луи Лагранж и Пьер-Симон Лаплас моделировали Солнечную систему как серию гигантских петель, следующих по орбитам планет. Хотя модель не была полезна на коротких временных масштабах нескольких кругов вокруг Солнца, она могла точно отображать взаимодействия орбит друг с другом с течением времени.
Вместо того, чтобы моделировать орбиты отдельных планет, Батыгин использовал серию более тонких и более тонких колец, чтобы представлять различные части астрофизического диска, такие как слои лука, каждый из которых привязан к массе орбитальных тел в этой области. Гравитационные взаимодействия колец друг с другом можно смоделировать, как диск будет деформироваться и изменяться.
И когда система стала слишком сложной для вычисления вручную или на компьютере, когда он добавил больше колец, он использовал математическую комбинацию клавиш для преобразования в описание бесконечного числа бесконечно тонких колец.
«Это просто широко известный математический результат, который используется в физике слева и справа», - сказал Батыгин. Но, тем не менее, почему-то никто не сделал скачок, чтобы смоделировать астрофизический диск таким образом.
«Что поистине примечательно для меня, так это то, что никто никогда не размывал [кольца] в континуум», - сказал он. «Это кажется таким очевидным в ретроспективе, и я не знаю, почему я не подумал об этом раньше».
Когда Батыгин прошел через эти вычисления, он нашел новое уравнение на удивление знакомым.
«Конечно, они связаны друг с другом, верно? В квантовой механике вы рассматриваете частицы как волны», - сказал он. «В ретроспективе это почти интуитивно понятно, что вы должны получить что-то вроде уравнения Шредингера, но в то время я действительно был искренне удивлен». Он добавил, что это уравнение неожиданно возникло раньше, например, в описании океанских волн, а также в том, как свет проходит через определенные нелинейные среды.
«То, что демонстрирует мое исследование, заключается в том, что долговременное поведение астрофизических дисков, то, как они изгибаются и деформируются, объединяет эту группу классических контекстов, которые можно понять по существу в квантовой структуре», - сказал Батыгин.
Новые результаты дают интересную аналогию между этими двумя ситуациями: путь волн через астрофизические диски, отражаясь от внутреннего и внешнего краев, эквивалентен тому, как одна квантовая частица отражается между двумя стенками, сказал он.
Нахождение этой эквивалентности имеет одно интересное следствие: Батыгин смог позаимствовать часть работы, проделанной исследователями, которые уже подробно изучили и проработали эту квантовую ситуацию, а затем интерпретировать уравнение в этом новом контексте, чтобы понять, как диски реагируют на внешние воздействия и возмущения.
«Физики имеют большой опыт работы с уравнением Шредингера; ему уже 100 лет», - сказал Space.com Грэг Лафлин, астрофизик из Йельского университета, который не принимал участия в исследовании. «И много очень глубоких мыслей ушло на то, чтобы понять его последствия. И теперь все здание может быть применено к эволюции дисков».
«И для кого-то вроде меня, который, по общему признанию, лучше понимает, что делают протозвездные диски, хотя и несовершенно, это также дает возможность пойти другим путем и, возможно, получить более глубокое понимание квантовых систем, используя аналогию с дисками», - сказал он. добавлено. «Я думаю, что это вызовет много внимания и интереса, возможно, ужаса. И в конечном счете, я думаю, что это будет действительно интересное событие».
Основа понимания
Батыгин надеется применить это уравнение для понимания множества аспектов астрофизических дисков.
«То, что я представил в этой статье, является основой», - сказал Батыгин. «Я столкнулся с одной конкретной проблемой, которая связана с жесткостью диска, - с той степенью, в которой диск может оставаться гравитационно жестким при внешних возмущениях. В настоящий момент я рассматриваю широкий спектр дополнительных приложений».
Одним из примеров является эволюция диска мусора, который в конечном итоге сформировал нашу солнечную систему, сказал Батыгин. Другой - это динамика колец вокруг планет вне Солнца. И третий - диск звезд, окружающих черную дыру в центре Млечного Пути, которая сама сильно изогнута.
Лафлин отметил, что работа должна быть особенно полезной для улучшения понимания исследователями новых звездных систем, потому что их труднее наблюдать издалека, а исследователи в настоящее время не могут имитировать их развитие от начала до конца.
«Математическая структура, которую создал Константин, является хорошим примером того, что может действительно помочь нам понять, как ведут себя объекты, которые имеют сотни тысяч орбит, как диск, образующий планеты», - сказал он.
По словам Фреда Адамса, астрофизика из Мичиганского университета, который не принимал участия в исследовании, эта новая работа наиболее полезна для систем, в которых масштабные гравитационные эффекты нейтрализуются. Для систем с более сложным гравитационным воздействием, таких как галактики с очень четкими спиральными рукавами, потребуется некоторая другая стратегия моделирования. Но для этого класса проблем это интересная вариация аппроксимирующих волн в астрофизических дисках, сказал он.
«Исследования в любой области, включая околозвездные диски, всегда выигрывают от разработки и использования новых инструментов», - сказал Адамс. «Эта статья представляет собой разработку нового аналитического инструмента или нового подхода к старым инструментам, в зависимости от того, как вы на него смотрите. В любом случае, это еще одна часть большой головоломки».
Эта структура позволит исследователям по-новому взглянуть на структуры, которые астрономы видят в ночном небе: хотя эти диски меняются в течение гораздо более длительного периода времени, чем могут наблюдать люди, можно применить уравнение, чтобы выяснить, как система достигла той точки, которую мы видим сегодня и как это может измениться в будущем, сказал Батыгин. И все это основано на математике, которая обычно описывает невероятно быстрые, мимолетные взаимодействия.
«Существует такая интригующая взаимность между математикой, которая управляет поведением субатомного мира, и математикой, которая управляет поведением [и] долгосрочной эволюцией этих астрономических вещей, которые разворачиваются в гораздо более долгих временных рамках», - добавил он. «Это, я думаю, замечательное и интригующее последствие».
Новая работа была подробно изложена сегодня (5 марта) в журнале «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества».
