Nghiên cứu mới liên quan đến sự cong vênh của các đĩa vật chất quy mô lớn trong vũ trụ với phương trình Schrodinger, mô tả hành vi cơ học lượng tử của các vật thể nguyên tử và hạ nguyên tử.
(Ảnh: © James T Ink Keane / Viện Công nghệ California)
Rất nhiều đĩa sao hoặc mảnh vụn có thể hoạt động theo cùng quy tắc như các hạt hạ nguyên tử, thay đổi dựa trên phương trình Schrodinger, mà các nhà vật lý sử dụng để mô hình hóa các hệ cơ học lượng tử.
Xem các cấu trúc không gian với phương trình đó có thể cho vay những hiểu biết mới về cách các thiên hà phát triển, cũng như tiết lộ manh mối về cơ học của hệ mặt trời sơ khai và hành động của các vòng quanh các hành tinh xa xôi, một báo cáo nghiên cứu mới.
Nhà nghiên cứu của Viện Công nghệ California Konstantin Batygin, tác giả của nghiên cứu mới, đã không mong đợi tìm thấy phương trình đặc biệt đó khi nghiên cứu các đĩa vật lý thiên văn đó. "Vào thời điểm đó, tôi hoàn toàn lơ lửng", Batygin nói với Space.com. "Tôi đã mong đợi phương trình sóng thông thường xuất hiện, một cái gì đó giống như sóng của một chuỗi hoặc một cái gì đó tương tự. Và thay vào đó, tôi có được phương trình này, đây thực sự là nền tảng của cơ học lượng tử." [Đĩa xây dựng hành tinh 'Đĩa bay' cực kỳ thú vị (Video)]
Sử dụng phương trình Schrodinger, các nhà vật lý có thể diễn giải sự tương tác của các hệ thống trên quy mô nguyên tử và hạ nguyên tử về mặt sóng cũng như các hạt - một khái niệm quan trọng trong cơ học lượng tử mô tả hành vi đôi khi không trực quan của các hệ thống đó. Hóa ra, sự cong vênh của các đĩa vật lý thiên văn cũng có thể hoạt động giống như các hạt.
"Nhìn lại, khi tôi nhìn vào vấn đề bây giờ, tôi ngạc nhiên về việc tôi không đoán được đó là điều gì sẽ xảy ra", Batygin, người có lẽ được biết đến nhiều nhất (với giáo dân, dù sao) cho co- tác giả một nghiên cứu năm 2016 với nhà nghiên cứu CalTech Mike Brown đã tìm thấy bằng chứng cho một "Hành tinh số chín" chưa được khám phá ở độ sâu tối của hệ mặt trời bên ngoài của chúng ta.
Vụ nổ từ quá khứ
Batygin đã đi qua kết nối khi dạy một lớp. Ông đang cố gắng giải thích cách sóng truyền qua các đĩa rộng là một yếu tố chính của kiến trúc không gian - ví dụ, các đĩa như vậy được tạo ra từ các ngôi sao xung quanh các lỗ đen siêu lớn tại trung tâm của một thiên hà và được tạo thành từ bụi và mảnh vụn trong hệ thống sao mới sinh. Các đĩa uốn cong và cong vênh theo cách phức tạp mà mô hình hiện tại không thể xử lý trên tất cả các khoảng thời gian. Các nhà khoa học có thể tính toán hành động của họ trong khoảng thời gian rất ngắn, như những gì xảy ra trên một vài quỹ đạo, cũng như cách chúng sẽ phân tán trong toàn bộ cuộc đời, nhưng không phải là như thế nào và tại sao chúng sẽ thay đổi theo thứ tự hàng trăm ngàn năm.
"Mọi thứ có thể xảy ra và bạn không thực sự biết tại sao - đó là một hệ thống phức tạp, vì vậy bạn chỉ cần nhìn thấy những thứ đang diễn ra, thấy một số loại tiến hóa năng động diễn ra", Batygin nói. "Trừ khi bạn có trực giác vật lý phức tạp khủng khiếp này, bạn sẽ không hiểu những gì đang diễn ra trong mô phỏng của mình."
Để theo dõi sự phát triển của đĩa, Batygin đã mượn một mẹo từ những năm 1770: tính toán cách các nhà toán học Joseph-Louis Lagrange và Pierre-Simon Laplace mô hình hóa hệ mặt trời như một chuỗi các vòng khổng lồ theo quỹ đạo của các hành tinh. Mặc dù mô hình không hữu ích trong khoảng thời gian ngắn của một vài vòng quanh mặt trời, nhưng nó có thể mô tả chính xác các tương tác của quỹ đạo với nhau theo thời gian.
Thay vì mô hình quỹ đạo của các hành tinh riêng lẻ, Batygin đã sử dụng một loạt các vòng mỏng hơn và mỏng hơn để thể hiện các phần khác nhau của đĩa vật lý thiên văn, giống như các lớp của hành tây, mỗi lớp được gắn với khối lượng của các vật thể quay quanh trong khu vực đó. với nhau có thể mô hình hóa cách đĩa sẽ cong vênh và thay đổi.
Và khi hệ thống trở nên quá phức tạp để tính toán bằng tay hoặc trên máy tính khi anh ta thêm nhiều vòng, anh ta đã sử dụng một phím tắt toán học để chuyển đổi để mô tả một số lượng vô hạn các vòng mỏng vô hạn.
"Đây chỉ là một kết quả toán học được biết đến rộng rãi được sử dụng trong vật lý trái và phải", Batygin nói. Tuy nhiên, bằng cách nào đó, không ai đã thực hiện bước nhảy vọt để mô hình hóa một đĩa vật lý thiên văn theo cách đó.
"Điều thực sự đáng chú ý đối với tôi là không ai đã làm mờ [những chiếc nhẫn] thành một sự liên tục từ trước đến nay", ông nói. "Có vẻ rất rõ ràng khi nhìn lại, và tôi không biết tại sao tôi không nghĩ về nó sớm hơn."
Khi Batygin trải qua những tính toán đó, anh thấy phương trình mới nổi quen thuộc một cách đáng ngạc nhiên.
"Tất nhiên, hai cái này có liên quan với nhau, phải không? Trong cơ học lượng tử, bạn coi các hạt là sóng", ông nói. "Nhìn lại, nó gần như trực quan rằng bạn sẽ có được một cái gì đó giống như phương trình Schrodinger, nhưng tại thời điểm đó, tôi thực sự rất ngạc nhiên." Phương trình đã xuất hiện bất ngờ trước đó, ông nói thêm - ví dụ, trong các mô tả về sóng biển, cũng như cách ánh sáng di chuyển qua các phương tiện phi tuyến nhất định.
"Những gì nghiên cứu của tôi chứng minh là hành vi lâu dài của các đĩa vật lý thiên văn, cách chúng uốn cong và cong vênh, tham gia vào nhóm bối cảnh cổ điển có thể hiểu được trong một khung cơ bản lượng tử", Batygin nói.
Các kết quả mới đưa ra một sự tương đồng thú vị giữa hai tình huống: Cách sóng truyền qua các đĩa vật lý thiên văn, bật ra khỏi các cạnh bên trong và bên ngoài, tương đương với cách một hạt lượng tử duy nhất nảy qua lại giữa hai bức tường, ông nói.
Tìm ra sự tương đương này có một hệ quả thú vị: Batygin đã có thể mượn một số công việc được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu và làm việc thông qua tình huống lượng tử này, và sau đó giải thích phương trình trong bối cảnh mới này để hiểu cách các đĩa phản ứng với lực kéo bên ngoài và nhiễu loạn.
"Các nhà vật lý có nhiều kinh nghiệm với phương trình Schrodinger, nó đã xuất hiện từ 100 tuổi rồi", Greg Smilelin, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Yale, người không tham gia nghiên cứu, nói với Space.com. "Và rất nhiều suy nghĩ rất sâu sắc đã đi sâu vào việc tìm hiểu sự phân nhánh của nó. Và vì vậy mà toàn bộ tòa nhà bây giờ có thể được áp dụng cho sự phát triển của các đĩa."
"Và đối với một người như tôi - người đã thừa nhận một cảm giác tốt hơn, mặc dù không hoàn hảo, về những gì các đĩa sao chính làm - điều này cũng mang đến cơ hội để đi theo một cách khác và có thể hiểu sâu hơn về các hệ thống lượng tử bằng cách sử dụng sự tương tự của đĩa," ông thêm. "Tôi thực sự nghĩ rằng nó sẽ gây ra nhiều sự chú ý và sự quan tâm, có lẽ là sự kiêu ngạo. Và cuối cùng tôi nghĩ nó sẽ là một sự phát triển thực sự thú vị."
Khung hiểu biết
Batygin mong muốn áp dụng phương trình để hiểu nhiều khía cạnh khác nhau của các đĩa vật lý thiên văn.
"Những gì tôi đã trình bày trong bài viết này là một khung," Batygin nói. "Tôi đã tấn công một vấn đề cụ thể với nó, đó là vấn đề về độ cứng của đĩa - mức độ mà đĩa có thể vẫn còn cứng nhắc dưới sự nhiễu loạn bên ngoài. Có một loạt các ứng dụng bổ sung mà tôi đang tìm kiếm vào lúc này."
Một ví dụ là sự phát triển của đĩa các mảnh vỡ cuối cùng đã hình thành hệ mặt trời của chúng ta, Batygin nói. Một điều nữa là sự năng động của các vòng xung quanh các hành tinh ngoài hệ mặt trời. Và thứ ba là đĩa các ngôi sao bao quanh lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà, bản thân nó rất cong.
Smilelin lưu ý rằng công việc này đặc biệt hữu ích trong việc cải thiện sự hiểu biết của các nhà nghiên cứu về hệ sao mới vì họ khó quan sát hơn từ xa và các nhà nghiên cứu hiện không thể mô phỏng sự phát triển của họ từ đầu đến cuối.
"Khung toán học mà Konstantin đã kết hợp là một ví dụ điển hình về thứ gì đó thực sự có thể giúp chúng ta hiểu cách các vật thể có hàng trăm ngàn quỹ đạo cũ, giống như một chiếc đĩa hình thành hành tinh," ông nói.
Theo Fred Adams, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Michigan, người không tham gia vào nghiên cứu, công trình mới này hữu ích nhất cho các hệ thống trong đó các hiệu ứng trọng lực quy mô lớn bị loại bỏ. Đối với các hệ thống có ảnh hưởng hấp dẫn phức tạp hơn, như các thiên hà có nhánh xoắn ốc rất khác biệt, sẽ cần một số chiến lược mô hình hóa khác. Nhưng đối với loại vấn đề này, đó là một biến thể thú vị của các sóng xấp xỉ trong các đĩa vật lý thiên văn, ông nói.
"Nghiên cứu trong bất kỳ lĩnh vực nào, bao gồm cả đĩa hoàn cảnh, luôn được hưởng lợi từ việc phát triển và sử dụng các công cụ mới", Adams nói. "Bài viết này đại diện cho sự phát triển của một công cụ phân tích mới, hoặc một bước ngoặt mới đối với các công cụ cũ hơn, tùy thuộc vào cách bạn nhìn vào nó. Dù sao đi nữa, đó là một mảnh khác của câu đố lớn hơn."
Khung này sẽ cho các nhà nghiên cứu hiểu các cấu trúc mà các nhà thiên văn học nhìn thấy trên bầu trời đêm theo một cách mới: Mặc dù các đĩa này đang thay đổi theo thời gian dài hơn nhiều so với con người có thể quan sát, phương trình có thể được áp dụng để tìm ra cách hệ thống đạt đến điểm chúng ta thấy hôm nay và làm thế nào nó có thể thay đổi trong tương lai, Batygin nói. Và tất cả dựa trên toán học thường mô tả các tương tác nhanh chóng, thoáng qua.
"Có sự tương hỗ hấp dẫn giữa toán học chi phối hành vi của thế giới hạ nguyên tử và toán học chi phối hành vi [và] tiến hóa dài hạn của những điều thiên văn này diễn ra trong thời gian dài hơn nhiều," ông nói thêm. "Điều đó, tôi nghĩ, là một hậu quả đáng chú ý và hấp dẫn."
Công trình mới được trình bày chi tiết hôm nay (5/3) trên tạp chí Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
