Fudge-faktorer i fysik?

Videnskaben er klar til at tage et "kvantespring", efterhånden som flere mysterier om, hvordan atomer opfører sig og interagerer med hinanden, låses op.

Kvantefysikkens felt, med dens komplekse matematiske ligninger til at forudsige interaktioner og energiniveauer for atomer og elektroner, allerede har muliggjort mange teknologier, vi er afhængige af hver dag – fra computere og smartphones, til lasere og magnetisk resonansbilleddannelse. Og eksperter siger, at revolutionære fremskridt er bestemt til at komme.

Men for at tage et kæmpe spring, du skal være i fysisk form, og forskere ved University of Delaware har fundet et område inden for kvantefysik, der kunne bruge noget mere calisthenics, kan man sige. Forskningen, udført af ph.d.-studerende Muhammed Shahbaz med sin rådgiver, Prof. Krzysztof Szalewicz i UD Institut for Fysik og Astronomi, blev udgivet for nylig i Fysisk gennemgangsbreve , tidsskriftet for American Physical Society.

Ligesom mennesker, atomer kan tiltrækkes af hinanden, eller, godt, blive frastødt. Tag argon - den tredje mest udbredte gas i Jordens atmosfære. Denne ikke-reaktive gas har en række anvendelser, fra at beskytte historiske dokumenter til at forhindre, at wolframglødetråden korroderer i fluorescerende lys. Når to argonatomer er langt væk fra hinanden, de vil blive tiltrukket af hinanden, indtil de kommer ned til omkring 3,5 ångstrøm, og så vil de frastøde hinanden. Det er som om, når de først har set rigtig godt på hinanden, de er klar til at komme videre.

Men det er ikke, hvad fysikere fandt for omkring to årtier siden, da de testede tæthedsfunktionsteorien (DFT), som nu er meget brugt til at modellere og forudsige den elektroniske struktur af atomer. De fleste versioner af DFT forudsagde enten ingen tiltrækning eller kun en meget svag. Hvor lå fiaskoen? Tiltrækningen mellem argonatomer stammer fra "spredningsinteraktioner" mellem elektroner, da bevægelserne af elektronerne i et atom påvirker bevægelserne af elektronerne i dets partner. DFT kan ikke præcist redegøre for disse korrelerede bevægelser på lang rækkevidde.

Og det er et problem, især inden for et område som materialevidenskab, hvor fysikere kan designe og forudsige egenskaberne af et nyt materiale – fra dets styrke til dets magnetisme til dets evne til at lede varme – uden nogensinde at gå ind i et laboratorium for at lave et eksperiment.

Så fysikere begyndte at udvikle "fudge-faktorer" i begyndelsen af ​​2000'erne for at tage højde for denne spredningsenergi. Nogle af disse metoder viste sig at give rimelig gode resultater og blev et ekstremt populært værktøj inden for beregningsfysik, kemi og materialevidenskab. De videnskabelige artikler, der foreslår sådanne metoder, er blevet citeret titusindvis af gange.

Hvad Shahbaz og Szalewicz har vist, efter mere end et år med intense analyser, er, at alle disse fudged metoder faktisk er baseret på en fejlagtig antagelse. DFT kan beskrive, hvordan bevægelsen af ​​en elektron både påvirker, og bliver påvirket af, bevægelsen af ​​en anden elektron, når afstanden mellem dem er i størrelsesordenen en ångstrøm. Ved adskillelser over en ångstrøm til omkring syv ångstrøm, korrektionsmetoderne forudsætter, at DFT genvinder en brøkdel af disse effekter. Shahbaz og Szalewicz har fundet ud af, at denne mængde ikke har dispersionsenergiens karakteristiske egenskaber og faktisk stammer fra fejl i teorien, som ikke er relateret til spredning. Dermed, siger forskerne, korrektionsmetoderne kan give gode resultater, men af ​​de forkerte grunde.

"Vi fortæller fysiksamfundet, at du skal gå længere, mod en universel forudsigelsesmetode, der virker af de rigtige grunde, " siger Shahbaz. "Vi er ikke her for at kritisere, men for at hjælpe med at forbedre, " tilføjer han ydmygt.

I øjeblikket, Szalewicz og Shahbaz er på et hold af teoretikere og eksperimenter fra universiteter over hele USA, som bruger kvantefysik til at forudsige strukturer og energier af krystaller, hvis ting snefnug, is, de fleste sten og mineraler, noget plastik, lægemidler, energiske materialer og andre produkter fremstilles. Deres komplekse beregninger forudsiger, for eksempel, hvor meget energi der kan pakkes ind i en given mængde raketbrændstof.

Shahbaz, hvem er den første forfatter på tidsskriftsartiklen, siger, at han aldrig ville have gættet som barn i sin lille landsby i Pakistan, at han en dag ville blive fysikprofessor. Han voksede op med at hjælpe sin far, hvem er landmand, dyrke siv, ris, chili, tomater, auberginer, radiser og okra. Nu er han den første i sin familie, der har fået tildelt et universitetsdiplom - for ikke at nævne den akademiske højeste grad, som nu er synligt.

Da han søgte ind på kandidatskolen, han modtog tilbud fra universiteter i USA og Canada, men siger, at han i sidste ende besluttede sig for UD på grund af universitetets omdømme og fleksibiliteten til at arbejde på en kandidatgrad først. Han siger, at det hjalp ham med at beslutte, hvad han egentlig ville fokusere sin forskning på.

Når han afslutter sin doktorgrad i løbet af de næste par måneder, han har allerede et job i kø, som assisterende professor i fysik ved University of the Punjab i Lahore, hvor han er bestemt til at fange eleverne om, hvordan lys og tyngdekraft virker, ligesom han var begejstret som ung.

Så hvorfor kan han lide fysik så meget? "Fysik fortæller dig om naturens love, " siger Shahbaz. "Det kræver også ræsonnement. Du behøver ikke at lære noget udenad - bare absorbere livet."