Новый метод упрощает анализ систем с сильными квантовыми взаимодействиями
Сильные взаимодействия — один из четырех фундаментальных типов взаимоотношений элементарных частиц. В них вступают основные элементы видимой материи. Более полувека физики-теоретики пытались описать сильные взаимодействия в виде универсального уравнения. И вот у них что-то получилось.
Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail
Исследовательская группа под эгидой Технического университета Дармштадта преобразовала сложную задачу в области квантовой физики в более простую версию с помощью инновационной формулировки — без явной потери какой-либо важной информации. Таким образом, ученые разработали новый метод для лучшего понимания и прогнозирования сложных квантово-механических систем. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Эта проблема уже давно занимает умы специалистов по квантовой физике: как математически описать системы, состоящие из множества частиц, между которыми действует сильное притяжение? Уже при количестве частиц равном 10 такие системы выходят за рамки существующих численных методов.
Ситуация становится особенно сложной, когда на атомы дополнительно воздействует внешняя сила. Однако во многих экспериментах с холодными атомами это происходит из-за того, что движение ограничено, например, одним измерением. Такие одномерные системы сильно взаимодействующих частиц были смоделированы еще в 60-х годах прошлого века и с тех пор служат эталонной задачей в теоретической физике. До сих пор эта задача была решена лишь в нескольких частных случаях. Формулировка уравнения «на все случаи жизни» ученым не давалась.
Исследователи попытались упростить систему с помощью так называемой эффективной теории (effective theory), которая описывает определенную совокупность экспериментальных данных, и использует логический механизм, не опирающийся прямо на физические причины описываемого круга наблюдаемых явлений. Иначе говоря, ученые решили принимать в расчет только «важные» физические аспекты и игнорировать все остальные.
Поскольку притягивающиеся частицы образуют пары, ученые попытались найти «эффективное» описание, основанное на различии и сходстве мономеров и димеров, а не на описании множества частиц в целом. Это кратно сократило количество принимаемых во внимание частиц и тем самым упростило описание.
Этот подход дополнительно основан на том факте, что сильно взаимодействующие частицы относятся к двум классам, известным как фермионы и бозоны. В так называемом преобразовании дуальности роли поменялись местами: теперь взаимодействия между ними, из сильных (strong interactions) становятся слабыми, а это значит, что проблему можно решить с помощью хорошо известных уравнений для слабых взаимодействий (weak interactions).
В своей работе авторы объединили две стратегии: метод эффективной теории для выделения физически значимых аспектов и преобразования дуальности для упрощения сложной задачи и облегчения ее решения.
По мнению авторов, это фундаментальное исследование позволяет разрешить одну из канонических «сложных задач» теоретической физики. Полученные результаты дают возможность делать прогнозы для экспериментов с «холодными» атомами и сильными взаимодействиями в одном измерении. Потенциально аналогичным образом можно рассматривать и более сложные системы с бо́льшим количеством измерений.
Недавно Hi-Tech Mail узнал о разработке уникального квантового чипа. Это будет Большой адронный коллайдер на ладони.
Поделиться
