大量空間結構與量子力學數學有著驚人的聯繫

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】大量的恆星或碎片可以在與亞原子粒子相同的規則下運行，這是基於薛定諤方程的變化，物理學家們用它來模擬量子力學系統。一項新的研究報告稱，用這個方程來觀察空間結構可以為星系的演化提供新的見解，同時也揭示了早期太陽系的機制和環繞遙遠行星的環的作用的線索。加州理工學院的研究員康斯坦丁·巴特金(Konstantin Batygin)是這項新研究的作者，他在研究天體物理磁碟時，沒有想到會發現這個特殊的方程式。Batygin希望常規的波動方程能出現，就像弦的波或者類似的東西。相反我得到了這個方程，它是量子力學的基石

新的研究將宇宙中大量物質的扭曲與薛定諤方程聯繫起來，薛定諤方程描述了原子和亞原子物體的量子力學行為。圖片版權：James Tuttle Keane/California Institute of Technology

利用薛定諤方程，物理學家可以用波和粒子來解釋原子和亞原子尺度上的系統之間的相互作用——量子力學中的一個關鍵概念，描述了這些系統有時不直觀的行為。事實證明天體物理圓盤的扭曲也可以像粒子一樣。回顧過去，當我看現在的問題的時候,我驚訝的不只是猜測，共同與的加州理工學院的研究員Mike Brown2016年的一項研究發現可能未被發現的「行星九」在我們太陽系外的黑暗深處。Batygin在教授一門課的時候遇到了這種聯繫。他試圖解釋波是如何穿過廣泛的圓盤的，這些圓盤是空間結構的主要組成部分——例如這些圓盤是由星系中心超大質量黑洞周圍的恆星組成的，並由新生恆星系統中的塵埃和碎片構成。

這些磁碟彎曲和彎曲，以一種複雜的方式，當前的建模不能處理所有的時間。科學家們可以在很短的時間內計算出他們的行動，比如在幾個軌道上發生的事情，以及他們將如何在整個一生中分散，而不是如何以及為什麼他們會在幾十萬年的順序上發生變化。事情可能會發生，也不知道為什麼——這是一個複雜的系統，所以只會看到一些東西展開，看到一些動態的進化過程，除非有這種異常複雜的物理直覺，否則就是不明白模擬到底發生了什麼。為了跟蹤一個圓盤的發展，Batygin借用了1770年代的一個小技巧：計算數學家約瑟夫-路易斯拉格朗日和皮埃爾-西蒙·拉普拉斯的方法，將太陽系模擬成一系列沿著行星軌道運行的巨大循環。雖然這個模型對圍繞太陽的幾條電路的短時間尺度沒有幫助，但它可以準確地描述軌道之間的相互作用。

Batygin沒有對單個行星的軌道進行模擬，而是使用了一系列更薄更薄的圓環來代表不同的天體物理圓盤，比如一層洋蔥，每一層都與該區域內軌道天體的質量有關。環的引力相互作用可以模擬圓盤的變形和變形。當系統變得太複雜，無法用手或計算機來計算時，他又增加了更多的環，使用了一個數學捷徑來轉換到描述無限個無限小的環。這只是一個廣泛的數學結果，用於物理學的左右，但是不知何故，沒有人會用這種方式來模擬一個天體物理圓盤。他真正值得注意的是，從來沒有人把(戒指)模糊到一個連續體中，現在回想起來似乎很明顯，我也不知道為什麼我沒有早點想到它。

當Batygin進行這些計算時，他發現這個新興的方程式出奇地熟悉。當然這兩者是有關聯的，在量子力學中將粒子視為波。回想起來應該得到像薛定諤方程這樣的東西，這幾乎是一種直覺，這個方程式出人意料地突然出現了，比如在對海浪的描述中，以及光線在某些非線性介質中移動的方式。Batygin說：我的研究表明天體物理磁碟的長期行為，即它們彎曲和彎曲的方式，加入了這組經典語境，在本質上可以理解為量子框架。新的研究結果在這兩種情況下提出了一個有趣的類比：波在天體物理磁碟上的傳播，從內部和外部邊緣反彈，相當於一個量子粒子在兩堵牆之間來回反彈。

發現這種等效性有一個有趣的結果：Batygin能夠借用研究人員所做的一些工作，這些研究人員已經廣泛地研究和研究了這個量子態，然後在這個新的背景下解釋這個等式，以理解磁碟是如何響應外部的拉和擾動的。物理學家對薛定諤方程有很多經驗，耶魯大學的天體物理學家格雷格·勞克林(Greg Laughlin)說：很多非常深刻的想法已經開始理解它的影響，所以現在整個大廈可以應用到磁碟的進化上。對於像我這樣的人來說，雖然他們確實有一種更好的感覺，雖然並不完美，但這也給了我們以另一種方式去探索量子系統的機會。我確實認為這會引起很多人的關注和興趣，可能會引起恐慌。最終我認為這將是一個非常有趣的發展。

Batygin期待應用這個等式來理解天體物理磁碟的許多不同方面。Batygin說：我在這篇論文中提出的是一個框架，我用它挑戰了一個特別的問題，那就是磁碟的剛性問題——在外部擾動下，磁碟在多大程度上保持了引力的剛性，我現在正在研究的還有很多其他的應用。一個例子是最終形成我們太陽系的碎片的演化。另一個是圍繞系外行星的環的動力學。第三個是圍繞在銀河系中心黑洞周圍的恆星盤，它本身是高度彎曲的。勞林指出，這項研究對於提高研究人員對新生恆星系統的認識尤其有幫助，因為他們很難從遠處觀察，而且目前研究人員無法從頭到尾模擬他們的發展。

康斯坦丁所建立的數學框架是一個很好的例子，它可以幫助我們理解成千上萬個軌道的物體，如行星形成的圓盤。密歇根大學(University of Michigan)的天體物理學家弗雷德·亞當斯(Fred Adams)沒有參與這項研究，這項新研究對大型重力效應抵消的系統最有用。對於具有更複雜的引力影響的系統，比如具有非常獨特旋臂的星系，需要一些其他的建模策略。但對於這類問題，它是天體物理圓盤中近似波的有趣變化。亞當斯說：任何領域的研究，包括環繞恆星的磁碟，都能從開發和使用新工具中獲益。這篇論文代表了一種新的分析工具的發展，或者是舊工具的一個新的轉折，這取決於你如何看待它。不管怎樣這是另一個更大的謎團。

框架會讓研究人員了解結構天文學家看到夜空中以一種新的方式:在這些磁碟改變更長時間尺度比人類可以觀察到這個方程可以應用於計算出系統需要我們今天所看到的點，以及它如何在未來可能會改變。這些都是基於數學的，通常描述的是快速而短暫的互動。在支配亞原子世界行為的數學和支配行為的數學之間存在著一種有趣的相互作用，而這些天文現象的長期演化則是在更長的時間尺度上展開的，我認為這是一個非凡而有趣的結果。這項新研究於3月5日在《皇家天文學會月刊》上發表。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Sarah Lewin

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：space

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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