Løsning af komplekse fysikproblemer med lynets hast

Et regnestykke så komplekst, at det tager 20 år at gennemføre på en kraftig stationær computer, kan nu laves på en time på en almindelig bærbar. Fysiker Andreas Ekström ved Chalmers Tekniske Universitet, sammen med internationale forskerkolleger, har designet en ny metode til at beregne egenskaberne af atomkerner utroligt hurtigt.

Den nye tilgang er baseret på et koncept kaldet emulering, hvor en omtrentlig beregning erstatter en komplet og mere kompleks beregning. Selvom forskerne tager en genvej, løsningen ender næsten helt ens. Det minder om algoritmer fra machine learning, men i sidste ende har forskerne designet en helt ny metode. Det åbner for endnu flere muligheder inden for grundforskning inden for områder som kernefysik.

"Nu hvor vi kan efterligne atomkerner ved hjælp af denne metode, vi har et helt nyt værktøj til at konstruere og analysere teoretiske beskrivelser af kræfterne mellem protoner og neutroner inde i atomkernen, " siger forskningsleder Andreas Ekström, Lektor ved Institut for Fysik på Chalmers.

Grundlæggende for at forstå vores eksistens

Emnet kan lyde niche, men det er faktisk fundamentalt for at forstå vores eksistens og stabiliteten og oprindelsen af ​​synligt stof. Det meste af atommassen befinder sig i atomets centrum, i et tæt område kaldet atomkernen. Kernens bestanddele, protoner og neutroner, holdes sammen af ​​noget, der kaldes den stærke kraft. Selvom denne kraft er så central for vores eksistens, ingen ved præcis, hvordan det fungerer. For at øge vores viden og optrevle de grundlæggende egenskaber ved synligt stof, forskere skal kunne modellere egenskaberne af atomkerner med stor nøjagtighed.

Grundforskningen, som Andreas Ekström og hans kolleger arbejder med, kaster nyt lys over emner lige fra neutronstjerner og deres egenskaber, til kernernes inderste struktur og henfald. Grundforskning i kernefysik giver også væsentlig input til astrofysik, atomfysik, og partikelfysik.

Åbner døre til helt nye muligheder

"Jeg er utrolig spændt på at kunne lave beregninger med en sådan nøjagtighed og effektivitet. Sammenlignet med vores tidligere metoder, det føles som om vi nu regner med lynets hast. I vores løbende arbejde her på Chalmers, vi håber at forbedre emuleringsmetoden yderligere, og udføre avancerede statistiske analyser af vores kvantemekaniske modeller. Med denne emuleringsmetode ser det ud til, at vi kan opnå resultater, der tidligere blev anset for umulige. Dette åbner helt sikkert døre til helt nye muligheder, siger Andreas Ekström.

Mere om den matematiske genvej

Den nye emuleringsmetode er baseret på noget, der hedder egenvektorfortsættelse (EVC). Det giver mulighed for emulering af mange kvantemekaniske egenskaber af atomkerner med en utrolig hastighed og nøjagtighed. I stedet for direkte at løse det tidskrævende og komplekse mangekropsproblem igen og igen, forskere har skabt en matematisk genvej, ved hjælp af en transformation til et særligt underrum. Dette gør det muligt at anvende nogle få eksakte løsninger for derefter at opnå omtrentlige løsninger meget hurtigere.

Hvis emulatoren fungerer godt, det genererer løsninger, der er næsten nøjagtigt - omkring 99 procent - svarende til løsningerne på det oprindelige problem. Dette er på mange måder de samme principper, der bruges i maskinlæring, men det er ikke et neuralt netværk eller en Gauss-proces – en helt ny metode understøtter det. EVC-metoden til emulering er ikke begrænset til atomkerner, og forskerne kigger i øjeblikket nærmere på forskellige typer applikationer.