Massive astrofysiske objekter styret af subatomære ligninger

Kvantemekanik er den gren af ​​fysikken, der styrer den til tider mærkelige opførsel af de små partikler, der udgør vores univers. Ligninger, der beskriver kvanteverdenen, er generelt begrænset til det subatomære område - den matematik, der er relevant i meget små skalaer, er ikke relevant i større skalaer, og omvendt. Imidlertid, en overraskende ny opdagelse fra en Caltech-forsker tyder på, at Schrödinger-ligningen – kvantemekanikkens grundlæggende ligning – er bemærkelsesværdig nyttig til at beskrive den langsigtede udvikling af visse astronomiske strukturer.

Arbejdet, udført af Konstantin Batygin, en Caltech assisterende professor i planetarisk videnskab og Van Nuys Page Scholar, er beskrevet i et papir, der vises i 5. marts-udgaven af Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society .

Massive astronomiske objekter er ofte omgivet af grupper af mindre objekter, der kredser omkring dem, ligesom planeterne omkring solen. For eksempel, supermassive sorte huller kredser om af sværme af stjerner, som selv kredser om enorme mængder sten, is, og andet rumaffald. På grund af gravitationskræfter, disse enorme mængder materiale formes til flade, runde skiver. Disse diske, består af utallige individuelle partikler, der kredser i massevis, kan variere fra solsystemets størrelse til mange lysår på tværs.

Astrofysiske skiver af materiale bevarer generelt ikke simple cirkulære former gennem hele deres levetid. I stedet, gennem millioner af år, disse diske udvikler sig langsomt til at udvise storstilede forvrængninger, bøjer og vrider sig som krusninger på en dam. Præcis hvordan disse kæder opstår og udbreder sig, har længe undret astronomer, og selv computersimuleringer har ikke givet et endeligt svar, da processen er både kompleks og uoverkommelig dyr at modellere direkte.

Mens du underviste i et Caltech-kursus om planetarisk fysik, Batygin (teoretikeren bag den foreslåede eksistens af Planet Nine) vendte sig til et tilnærmelsesskema kaldet perturbationsteori for at formulere en simpel matematisk repræsentation af diskens udvikling. Denne tilnærmelse, ofte brugt af astronomer, er baseret på ligninger udviklet af det 18. århundredes matematikere Joseph-Louis Lagrange og Pierre-Simon Laplace. Inden for rammerne af disse ligninger, de enkelte partikler og småsten på hver enkelt kredsløbsbane er matematisk smurt sammen. På denne måde en disk kan modelleres som en række koncentriske ledninger, der langsomt udveksler orbital vinkelmomentum mellem hinanden.

Som en analogi, i vores eget solsystem kan man forestille sig at bryde hver planet i stykker og sprede disse stykker rundt om den bane, planeten tager omkring solen, sådan, at solen er omkranset af en samling massive ringe, der interagerer gravitationsmæssigt. Vibrationerne af disse ringe afspejler den faktiske planetarbitale udvikling, der udfolder sig over millioner af år, gør tilnærmelsen ret nøjagtig.

Ved at bruge denne tilnærmelse til at modellere diskudvikling, imidlertid, havde uventede resultater.

"Når vi gør dette med alt materialet på en disk, vi kan blive mere og mere omhyggelige, repræsenterer disken som et stadigt større antal stadigt tyndere ledninger, " siger Batygin. "Til sidst, du kan anslå antallet af ledninger i disken til at være uendeligt, som giver dig mulighed for matematisk at sløre dem sammen til et kontinuum. Da jeg gjorde dette, forbavsende, Schrödinger-ligningen dukkede op i mine beregninger."

Schrödinger-ligningen er grundlaget for kvantemekanikken:Den beskriver den ikke-intuitive opførsel af systemer på atomare og subatomare skalaer. En af disse ikke-intuitive adfærd er, at subatomære partikler faktisk opfører sig mere som bølger end som diskrete partikler - et fænomen kaldet bølge-partikel dualitet. Batygins arbejde tyder på, at storskala warps i astrofysiske diske opfører sig på samme måde som partikler, og udbredelsen af ​​kæder i skivematerialet kan beskrives ved den samme matematik, der bruges til at beskrive adfærden af ​​en enkelt kvantepartikel, hvis den hoppede frem og tilbage mellem skivens indre og ydre kanter.

Schrödinger-ligningen er godt undersøgt, og at finde ud af, at en sådan kvintessentiel ligning er i stand til at beskrive den langsigtede udvikling af astrofysiske diske, burde være nyttig for videnskabsmænd, der modellerer sådanne storstilede fænomener. Derudover tilføjer Batygin, det er spændende, at to tilsyneladende uafhængige grene af fysikken - dem, der repræsenterer den største og den mindste skala i naturen - kan styres af lignende matematik.

"Denne opdagelse er overraskende, fordi Schrödinger-ligningen er en usandsynlig formel, der opstår, når man ser på afstande i størrelsesordenen lysår, " siger Batygin. "De ligninger, der er relevante for subatomær fysik, er generelt ikke relevante for massive, astronomiske fænomener. Dermed, Jeg var fascineret af at finde en situation, hvor en ligning, der typisk kun bruges til meget små systemer, også fungerer til at beskrive meget store systemer."

"Grundlæggende Schrödinger-ligningen styrer udviklingen af ​​bølgelignende forstyrrelser." siger Batygin. "På en måde, bølgerne, der repræsenterer skævhederne og skævheden af ​​astrofysiske skiver, er ikke så forskellige fra bølgerne på en vibrerende streng, som i sig selv ikke er så forskellige fra bevægelsen af ​​en kvantepartikel i en kasse. Set i bakspejlet, det virker som en åbenlys sammenhæng, men det er spændende at begynde at afdække den matematiske rygrad bag denne gensidighed."