زمانی که ریچارد فاینمن درخشان انقلاب کامپیوترهای کوانتومی را آغاز کرد، برنامه ریزی کرد تا از آن برای شبیه سازی سیستم های کوانتومی استفاده کند که محاسبات تحلیلی و شبیه سازی عددی را در کامپیوترهای کلاسیک به چالش می کشند. چند سالی است که ما شروع به تحقق این رویا کرده‌ایم و امروز به نظر می‌رسد یک کامپیوتر کوانتومی ساخته شده توسط IBM در آستانه کشف برخی از اسرار پروتون‌ها و نوترون‌های سازنده بدن ما و ستارگان است.
[ویدئو] مصاحبه: یک کامپیوتر کوانتومی چگونه متفاوت است؟ دنیای کوانتومی شگفت‌انگیز است: برای مثال، در این مقیاس، اجسام می‌توانند به طور همزمان در چندین حالت باشند. با بهره برداری از این اصل، یک کامپیوتر کوانتومی امکانات بسیار گسترده تری نسبت به یک مدل کلاسیک خواهد داشت. ناشر De Boeck به عنوان بخشی از مجموعه ویدیوهای خود، پرسش هایی از متخصصان فیزیک و اخترفیزیک، با کلود اصلنگول، استاد UPMC مصاحبه کرد تا نحوه عملکرد این ماشین عجیب را توضیح دهد.
جنگ جهانی دوم یک کاتالیزور مهیب برای توسعه علوم کامپیوتر و تکنیک های شبیه سازی عددی بود که کامپیوترها به حل مسائل فیزیک و مهندسی اجازه می دهند. اولین سلاح های هسته ای و اولین باتری های اتمی باید ساخته می شدند.
از مکانیک سیالات گرفته تا پراکندگی نوترون از طریق پرسش های مربوط به انتقال تشعشعات در گازها ، فیزیکدانان و ریاضیدانان – مانند انریکو فرمی ، ریچارد فاینمن و جان فون نویمان ، یا استانیسلاو اولام – به این رونق در لوس آلاموس و بعداً برای توسعه صنعت کمک خواهند کرد. بمب هیدروژنی
برخی از این محققان سپس در دهه 1960 روی شبیه‌سازی تشکیل سیاهچاله‌ها در اثر فروپاشی گرانشی یک ستاره و راه‌اندازی میدان نسبیت عددی که امروزه برای تشخیص، تجزیه و تحلیل و تفسیر امواج بسیار مهم است، کار خواهند کرد. ستاره ها.
هر بار، مسئله حل مسائل مربوط به معادلات غیرخطی بود و بنابراین حل آن با روش های تحلیلی مانند آنچه در رساله معروف ریچارد کورانت و دیوید هیلبرت ارائه شده، بسیار دشوار است. با این حال، معادلات غیرخطی نیز همان چیزی است که در فیزیک ذرات و به ویژه با نظریه کرومودینامیک کوانتومی (QCD یا Quantum Chromo-Dynamics به انگلیسی) می‌یابیم که برهمکنش‌های هسته‌ای قوی بین باریون‌ها و مزون‌ها را توصیف می‌کند که امروزه می‌دانیم از کوارک‌ها تشکیل شده‌اند . این کوارک‌ها ، به اصطلاح، به دلیل گسیل و جذب فوتون‌هایی به نام گلوئون به هم چسبیده‌اند.
قوی ترین نیرو در جهان، نیروی هسته ای قوی است. رفتار کوارک ها و گلوئون ها در داخل پروتون ها و نوترون ها را کنترل می کند. نام تئوری که بر این نیرو حاکم است، کرومودینامیک کوانتومی یا QCD است. در این ویدئو، دکتر دان لینکلن از Fermilab پیچیدگی های این جزء غالب مدل استاندارد را توضیح می دهد. برای به دست آوردن ترجمه فرانسوی نسبتاً دقیق، روی مستطیل سفید در پایین سمت راست کلیک کنید. سپس باید زیرنویس انگلیسی ظاهر شود. سپس بر روی مهره سمت راست مستطیل و سپس بر روی “Subtitles” و در نهایت بر روی “Translate automatically” کلیک کنید. "فرانسوی" را انتخاب کنید. © Fermilab
از نظر فنی، معادلات QCD به اصطلاح معادلات یانگ میلز هستند که شامل نظریه معروف اما رمزآلود گروه ها و جبرهای دروغ است که به نام ریاضیدان نروژی که اولین بار این گروه ها را کاوش کرد، نامگذاری شده است. ما همچنین از نظریه‌هایی با این معادلات به عنوان نظریه‌های گیج غیرآبلین صحبت می‌کنیم (الکترودینامیک کوانتومی معادلات یانگ-میلز را نیز شامل می‌شود اما با یک گروه آبلی). در مورد QCD، گروه Lie که تقارن معادلات را توصیف می کند، SU (3) است. می توان تئوری های کلی را با SU (N) و عملاً تصور کرد، یک نظریه گیج که برای متحد کردن نیروهای هسته ای قوی و ضعیف الکتریسیته پیشنهاد شد، نظریه یانگ-میلز با SU بود (5).
حل معادلات QCD دشوار است، اما اگر می‌خواهیم وجود و ویژگی‌های ذرات بنیادی مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها را که باریون‌های متشکل از سه کوارک هستند، درک کنیم، باید این کار را انجام دهیم.
تکنیک‌هایی برای حل این معادلات در رایانه، به‌ویژه توسط کنت ویلسون، برنده جایزه نوبل فیزیک، با نظریه‌ای که به عنوان نظریه‌های اندازه‌گیری در شبکه‌ها شناخته می‌شود، ابداع شده است و امکان انجام محاسبات آموخته‌شده با ابررایانه‌ها را فراهم کرده است که امکان یافتن وجود و برخی از خواص پروتون ها و نوترون ها، همانطور که Futura در مقاله قبلی زیر با جزئیات بیشتری توضیح داد.
اما هنوز سوالات بی پاسخی در مورد فیزیک باریون ها وجود دارد، مانند زمانی که آنها تحت فشار بالا در ستارگان نوترونی که بسیار متراکم هستند یافت می شوند. ما همچنین می‌خواهیم بهتر بفهمیم که چه اتفاقی می‌افتد وقتی شرایط دما و فشار به گونه‌ای باشد که باریون‌ها تا حد اصلاح کواگمای بیگ بنگ که در آن متولد شده‌اند «تبخیر» شوند.
در انیمیشن ویدیویی تاریخ فیزیک کوانتومی را کشف کنید: از فاجعه فرابنفش تا وعده های کامپیوتر کوانتومی از طریق انقلاب کوانتومی اول و دوم با ایده های فاینمن و پیتر شور. یک انیمیشن-ویدئوی مشترک با L'Esprit Sorcier . © CEA Research
پاسخ‌ها مستلزم جهش بیشتری در قدرت رایانه‌های کلاسیک هستند، اما دلیل خوبی برای این باور وجود دارد که راه حل مشکل کاملاً همان راهی است که ریچارد فاینمن در سال 1981 هنگامی که مفهوم رایانه کوانتومی را ترسیم کرد، شروع به ترسیم آن کرد. تصادفی نیست که فاینمن در طول جنگ در لوس آلاموس بود و به درستی درگیر مسائل محاسبات عددی بود، به طوری که تمام عمر خود را درگیر مسائل محاسبه‌پذیری سیستم‌های فیزیکی با کامپیوتر بود.
او همچنین از دشواری حل معادلات QCD به خوبی آگاه بود و می توان استدلال کرد که این به او کمک کرد تا با استفاده مستقیم از خواص کوانتومی دستگاه ها به جای تلاش برای شبیه سازی، در مسیر حل مسائل پیچیده محاسباتی رفتار سیستم کوانتومی راه اندازی شود. آنها با دستگاه های معمولی
بنابراین رایانه‌های جدید از قوانین دنیای کوانتومی مانند برهم‌نهی حالت‌ها و درهم‌تنیدگی برای اجرای الگوریتم‌هایی استفاده می‌کنند که مانند ماشین‌های آلن تورینگ، بیت‌های اطلاعات را دستکاری نمی‌کنند، بلکه کیوبیت‌های اطلاعات را دستکاری می‌کنند. می‌توانید با مطالعه مقاله یکی از متخصصان محاسبات کوانتومی جهان، جان پرسکیل، درباره کارهای اولیه فاینمن و بسیاری از پیشرفت‌های مدرن که به دنبال آن انجام شد ، اطلاعات بیشتری کسب کنید .
ارائه کار محققان در موسسه محاسبات کوانتومی . برای به دست آوردن ترجمه فرانسوی نسبتاً دقیق، روی مستطیل سفید در پایین سمت راست کلیک کنید. سپس باید زیرنویس انگلیسی ظاهر شود. سپس بر روی مهره سمت راست مستطیل و سپس بر روی “Subtitles” و در نهایت بر روی “Translate automatically” کلیک کنید. "فرانسوی" را انتخاب کنید. © موسسه محاسبات کوانتومی
کامپیوترهای کوانتومی امروزه به واقعیت تبدیل شده اند، اما قدرت محاسباتی آنها هنوز قادر به رقابت با ابررایانه ها نیست. با این حال، برخی از دستگاه‌هایی که رایانه‌های کوانتومی هستند، متخصص در حل نوع خاصی از مسئله هستند و بنابراین مانند رایانه‌های واقعی به‌طور دلخواه قابل برنامه‌ریزی نیستند، بدون شک می‌توانند «برتری کوانتومی» پایدار را در رایانه‌های معمولی ایجاد کنند.
با این حال، تیمی از محققان به سرپرستی موسسه کانادایی رایانش کوانتومی (IQC) به تازگی از طریق انتشار در مجله معتبر Nature Communications اعلام کرده اند که گام مهمی در جهت تحقق رویاهای فاینمن و استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی برای باز کردن قفل است. اسرار پروتون ها و نوترون ها محقق شده بود.
اینها هنوز محاسبات کوانتومی شامل باریونهایی نیستند که در دنیای واقعی در 3 بعد فضا تحت QCD قرار می گیرند، اما فیزیکدانان با محاسبات مربوط به نظریه یانگ-میلز از نوع SU (2) به نتایجی رسیده اند که حاوی معادل کوارک ها و گلوئون ها در جهانی با یک بعد مکان و یک بعد زمان.
نه تنها معادل‌های حالت‌های کوانتومی باریون‌های QCD در طول محاسبات ظاهر شدند، بلکه معادل‌های مزون‌هایی که تنها حاوی دو کوارک بودند نیز ظاهر شدند. سپس امکان محاسبه جرم این ذرات وجود داشت.
برای دستیابی به این نتایج، محققان محاسبات روی رایانه‌های کلاسیک را با محاسباتی که می‌توان با اتصال در فضای ابری به رایانه کوانتومی که IBM با پلتفرم آنلاین IBM در دسترس همه قرار می‌دهد، انجام داد، ترکیب کردند . Quantum Experience . چند سال پیش، این ماشین قبلاً این امکان را فراهم کرده بود که محاسبات فیزیک هسته ای را با موفقیت انجام دهد .
در تئوری، اکنون راه در جهت شبیه سازی کاملا واقعی QCD باز است.
ابرکامپیوتر تورینگ، IBM Blue Gene/Q، یکی از ابررایانه‌هایی است که مؤسسه توسعه و منابع در محاسبات علمی (ادریس)، مرکز اصلی CNRS برای محاسبات دیجیتال فشرده با کارایی بسیار بالا را تجهیز می‌کند. با استفاده از منابع کامپیوتری موجود در ادریس بود که تیم فیزیکدانان اروپایی توانستند محاسباتی را انجام دهند تا تفاوت جرم بین نوترون و پروتون را محاسبه کنند. © CNRS
مقاله توسط Laurent Sacco منتشر شده در 12/27/2017
نوترون به سختی سنگین تر از پروتون است. اگر اینطور نبود، جهان ما بسیار متفاوت بود. در سال 2008، یک تیم اروپایی از فیزیکدانان، با محاسبه و با دقت خوب، جرم این دو ذره را با استفاده از معادلات کرومودینامیک کوانتومی پیدا کردند. همین محققان محاسبات خود را یک گام جلوتر برده اند. آنها اکنون می توانند توضیح دهند که چرا اختلاف جرم بین نوترون و پروتون 0.14٪ از جرم نوترون است.
در اوایل قرن بیستم، فیزیکدانان معتقد بودند که جرم ذرات بنیادی شناخته شده در آن زمان، یعنی الکترون و پروتون، باید از نیروی الکترومغناطیسی توضیح داده شود. متقاعد کننده ترین تلاش در این جهت تعمیم معادلات میدان الکترومغناطیسی ماکسول-لورنتز معروف به نظریه بورن-اینفلد بود . به دلیل غیر خطی بودن معادلاتش، امکان برهمکنش بین میدان های الکتریکی را فراهم کرد. بنابراین ما می‌توانیم در آنجا راه‌حل‌هایی پیدا کنیم که بسته‌های انرژی الکتریکی پایدار را توصیف می‌کنند که باید به دلیل فرمول معروف اینشتین ، E = mc 2 جرم داشته باشند. زمانی که نوترون کشف شد، باید ناامید می شدیم. چگونه یک ذره خنثی بنیادی می تواند در چارچوب این نظریه جرم داشته باشد؟
امروزه معمای منشا توده پروتون ها و نوترون ها دیگر یک راز نیست. ده ها سال است که می دانیم این توده ها از نظریه نیروی هسته ای قوی سرچشمه می گیرند. شایان ذکر است، این نظریه که خالقان آن، هارالد فریتز و موری گل مان (یکی از پدران نظریه کوارک )، کرومودینامیک کوانتومی (یا QCD، کرومودینامیک کوانتومی در انگلیسی) را تعمید دادند، از نظر ریاضی شبیه معادلات ماکسول-لورنتس است. اما دقیقاً با وجود اصطلاحات غیرخطی که امکان جفت شدن بین میدان های مرتبط با نیروی هسته ای قوی را می دهد با آن تفاوت دارد. در سال 2008، تیمی از فیزیکدانان اروپایی حتی موفق شدند مقدار این توده ها را با دقت حدود 4 درصد بر اساس معادلات QCD بدست آورند.
کنت جی ویلسون نام بزرگی در فیزیک نظری است. کار او تئوری میدان کوانتومی، مکانیک آماری را متحول کرده است و پیامدهایی هم برای نظریه ابر ریسمان و هم برای دینامیک پلیمر دارد. © دانشگاه کرنل
امروز، همین همکاری، که شامل محققان آلمانی، فرانسوی و مجارستانی از مرکز فیزیک نظری مارسی (CNRS، دانشگاه Aix-Marseille)، دانشگاه Bergische Universität Wuppertal و دانشگاه Eötvös در بوداپست است، در یک نشریه در مجله Science (باز) اعلام شد. دسترسی در arxiv ) که محاسبات دقیق تری را انجام داد. با استفاده از ابررایانه‌های Forschungszentrum Julich و Idris (CNRS)، و همچنین معادلات الکترودینامیک کوانتومی، نظریه کوانتومی نیروهای الکترومغناطیسی، علاوه بر نیروهای QCD، این فیزیکدانان اکنون می‌توانند تفاوت جرم بین نوترون را توضیح دهند. و پروتون که 0.14 درصد جرم نوترون است.
این موفقیت اضافی مدل استاندارد ، که یک بار دیگر نشان می‌دهد که QCD نظریه‌ای است که دنیای هادرون‌ها را توصیف می‌کند، مطمئناً کنت ویلسون برنده جایزه نوبل را خوشحال می‌کرد اگر او هنوز با ما بود.
در واقع، درست مانند سال 2008، تیم اروپایی موفقیت خود را مدیون کاربرد عملی ایده ها و مفاهیمی است که در سال 1974 توسط ویلسون هنگام ایجاد نظریه QCD شبکه ای ارائه شد. از آغاز دهه 1980، امکان کاوش عددی، با استفاده از رایانه، محتوای معادلات QCD را در یک رژیم غیر خطی فراهم کرد و با این محاسبات برای اولین بار جرم هادرون های خاص را تخمین زد. این چندان تعجب آور نیست زیرا معادلات ناویر-استوکس برای مکانیک سیالات و انیشتین برای گرانش نیز در شرایطی که غیرخطی بودن آنها ضروری است در رایانه مورد بررسی قرار می گیرند. در واقع یافتن راه حل های تحلیلی در چنین مواردی اگر نگوییم غیرممکن، بسیار دشوار است.
برای عملی کردن نظریه ویلسون، لازم است از یک فضا-زمان شروع شود که بر اساس شبکه ای از شبکه های مربعی که اضلاع آن در ابتدا طول ثابتی "a" دارند، گسسته می شود. به لطف یک ترفند محاسباتی، یعنی زمان خیالی، این فضا-زمان به یک فضای اقلیدسی 4 بعدی تبدیل می شود. این نظریه قدرتمند انتگرال ها و نمودارهای فاینمن را که برای توصیف کمی معادلات QCD استفاده می شود، تبدیل به نظریه ای می کند که از نظر ریاضی معادل آن چیزی است که در فیزیک آماری برای توصیف سیالات و جامدات استفاده می شود . سپس محاسبات ساده تر و به خوبی تعریف می شوند. کافی است در انتهای "a" به سمت 0 تمایل داشته باشیم تا توصیفی پیوسته پیدا کنیم و در فضا-زمان عادی برگردیم تا با فیزیک قابل مشاهده تماس برقرار کنیم.
برای دستیابی به دقت، بر روی هر یک از دو جرم نوکلئون که به صورت جداگانه گرفته شده اند، 150 برابر بیشتر از جرم سال 2008 و بنابراین برای اینکه بتوانند به صورت عددی تفاوت جرم بین این دو هادرون را "مشاهده" کنند، فیزیکدانان الگوریتم های ریاضی عددی را بهبود بخشیده اند. محاسبات پیشرفت‌های فنی نیز به آنها کمک کرده است و آنها می‌توانند از نسل جدیدی از ابر رایانه‌ها که میلیون‌ها میلیارد عملیات در ثانیه انجام می‌دهند، بهره‌مند شوند. همچنین لازم بود جرم منشاء الکترومغناطیسی پیش‌بینی‌شده توسط الکترودینامیک کوانتومی (QED، برای الکترودینامیک کوانتومی در انگلیسی) و مرتبط با بار کوارک‌ها در نظر گرفته شود. به یاد داشته باشید که جرم آنها تنها حدود 1٪ به جرم پروتون ها و نوترون ها کمک می کند. بقیه اساساً از انرژی جنبشی حمل شده توسط کوارک ها و به ویژه گلوئون ها، مشابه فوتون ها برای نیروی هسته ای قوی، حاصل می شود که بین این کوارک ها رد و بدل می شود. این نشان می دهد که چرا اشتباه است که بگوییم بوزون بروت-انگلرت-هیگز جرم خورشید را برای مثال توضیح می دهد.
اما آنچه نقطه است، اساسا، استخراج با محاسبه بنیادی میخوانند تفاوت جرم بین پروتون و نوترون از معادلات از QCD و QED؟ البته، این پیشرفت به کشف ردپای ضعیف احتمالی فیزیک جدید با یافتن تفاوت‌های کوچک بین خواص هادرون‌های استنتاج شده از مدل استاندارد و آن‌هایی که قابل اندازه‌گیری هستند کمک می‌کند. اما همچنین تجدید چشم اندازهای کسر مشاهدات بسیار جذاب در کیهان شناسی را ممکن می سازد .
همانطور که لوران للوش فرانسوی، یکی از نویسندگان این اثر، به ما یادآوری می کند، در ارائه سمیناری که به آن اختصاص داده شده است، اگر اختلاف جرم بین نوترون و پروتون کمتر از 0.05 درصد جرم نوترون باشد، پروتون ها به راحتی می توانند و به شدت به نوترون تبدیل می شوند. برای مقادیر بین 0.14 و 0.05٪، سنتز هسته اولیه در اولین دقایق وجود جهان قابل مشاهده پس از انفجار بزرگ منجر به تولید مقادیر زیادی هلیوم و هیدروژن بسیار کمتری می شد. که بدیهی است که تاریخ شکل گیری و تکامل ستارگان را تغییر می دهد . در نهایت، اگر این تفاوت بیشتر از 0.14٪ بود، تقریباً تمام نوترون ها، اگر نه همه، در طول سنتز هسته از هم پاشیدند. در هر صورت، کیهان شبیه کیهانی که امروز می شناسیم نخواهد بود.
!
از ثبت نام شما سپاسگزاریم.
خوشحالم که شما را در میان خوانندگان ما قرار می دهم!
جرم پروتون: ذره ای سبک تر از حد انتظار

source

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *