يكتشف الفيزيائيون مرحلة نظرية جديدة غريبة للهيدروجين: ScienceAlert

من خلال تعليم آلة لتعلم بعض الحيل الكمومية ، اكتشف الفيزيائيون مرحلة جديدة غريبة من الهيدروجين في صورة صلبة. في حين أن هذا الاكتشاف نظري بحت في الوقت الحالي ، إلا أنه يمكن أن يساعدنا في فهم سلوك المادة بشكل أفضل من أصغر المقاييس إلى الميكانيكا الداخلية لأكبر الكواكب في الكون.

هذه المرحلة الجديدة من الهيدروجين الصلب التي اكتشفها فريق دولي من الباحثين اتبعت عرض النموذج لجزيئات الهيدروجين في ظل ظروف قاسية: لاستخدام تشبيه غذائي ، تحول شكلها من كرات مكدسة مثل كومة من البرتقال إلى شيء يشبه البيض إلى حد كبير.

يتطلب الهيدروجين عادةً درجات حرارة منخفضة جدًا وضغوطًا عالية جدًا شكل صلب. من خلال دراسة جديدة للتعلم الآلي لهذا التغيير في الطور المعين ، وجد العلماء الترتيب الجزيئي الجديد.

“لقد بدأنا بهدف غير طموح للغاية وهو تنقيح نظرية شيء نعرفه ،” يقول عالم الفيزياء سكوت جنسن من جامعة إلينوي أوربانا شامبين.

“لسوء الحظ ، أو ربما لحسن الحظ ، كان الأمر أكثر إثارة للاهتمام من ذلك. كان هناك ظهور هذا السلوك الجديد. في الواقع ، كان هذا هو السلوك المهيمن في درجات الحرارة المرتفعة والضغوط ، وهو أمر لم يكن هناك أي تلميح في النظرية القديمة.”

لعبت خوارزمية التعلم الآلي المحدثة دورًا مهمًا في البحث: فقد كانت قادرة على نمذجة تصرفات آلاف الذرات بدلاً من المئات من الدراسات العديدة للظواهر الكمومية.

استخدم الباحثون نسخة محسّنة من ما يُعرف بـ كوانتوم مونت كارلو تقنية (QMC): في الأساس ، تستخدم عينات عشوائية ورياضيات احتمالية لمعرفة كيف تتصرف مجموعات كبيرة من الذرات بشكل جماعي ، وهي مجموعات يصعب دراستها في تجربة فعلية.

تم استخدام طريقة حسابية ثانية – واحدة أكثر قدرة على التعامل مع المزيد من الذرات ولكن بدون الدقة – للتحقق من النتائج. نظرًا لتطابق النتائج ، فإنها تشير إلى أن تقنية QMC المحسّنة تعمل على النحو المنشود.

“تبين أن التعلم الآلي يعلمنا الكثير ،” يقول الفيزيائي ديفيد سيبرلي من جامعة إلينوي أوربانا شامبين. “لقد رأينا علامات سلوك جديد في عمليات المحاكاة السابقة ، لكننا لم نثق بهم لأننا لم نتمكن من استيعاب سوى أعداد صغيرة من الذرات.”

“من خلال نموذج التعلم الآلي الخاص بنا ، يمكننا الاستفادة الكاملة من الأساليب الأكثر دقة ومعرفة ما يحدث بالفعل.”

ببساطة ، أدى مكون التعلم الآلي إلى تحسين دقة ونطاق عمليات المحاكاة التي يمكن للعلماء إجراؤها ، باستخدام البيانات الحالية والمحاكاة السابقة لجعل عمليات المحاكاة المستقبلية أكثر دقة من حيث تقديراتهم.

الهيدروجين ليس فقط العنصر الأكثر وفرة في الكون ، ولكنه أيضًا أبسط العناصر من حيث ذراته الفردية: بروتون واحد وإلكترون واحد. وهذا يعني أن الاكتشافات الجديدة حول الهيدروجين يمكن أن تؤثر تقريبًا على كل شيء آخر في الفيزياء.

في الوقت الحالي ، من السابق لأوانه معرفة ما تعنيه هذه المرحلة الجديدة من الهيدروجين الصلب ، وهناك حاجة إلى مزيد من التجارب والمحاكاة للنظر فيها عن كثب. ومع ذلك ، فإن دراسة الكواكب المملوءة بالهيدروجين مثل كوكب المشتري وزحل هي مجرد منطقة واحدة يمكن أن يكون فيها هذا الفهم الإضافي مفيدًا.

“نريد أن نفهم كل شيء ، لذلك يجب أن نبدأ بالأنظمة التي يمكننا مهاجمتها ،” يقول سيبرلي. “الهيدروجين بسيط ، لذا من الجدير معرفة أنه يمكننا التعامل معه.”

تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية.