泰州新闻网

首页 > 正文

「科普」我们可以决定时间的方向么?

www.engsynthesis.com2019-10-02

2019-09-06 19: 48: 46 Home King

对普遍存在的现象的观察具有意想不到的分形行为,这可能为我们提供关于早期宇宙和时间箭头的线索。

将牛奶倒入咖啡中,白色漩涡和卷须会迅速褪色至棕色。半小时后,饮料将冷却至室温,几天后液体将蒸发。在接下来的几个世纪中,杯子将会崩溃,经过数十亿年后,整个行星,太阳和太阳系将会消散。在整个宇宙中,所有的物质和能量都在咖啡和星星等热点中传播,最终(几万亿年后)在太空中均匀分布。换句话说,咖啡和宇宙的未来是一样的。

这种物质和能量的逐渐扩散,我们称之为“加热”,与时间有关。事实上,时间之箭是不可逆转的,所以热咖啡会变冷但从不会自发升温,但这并不是由咖啡分子的基本运动定律决定的。相反,加热是一个统计结果:咖啡的热量更容易扩散到空气中,而不是将能量集中到咖啡中的冷空气分子,就像洗新卡一样,而不是根据颜色和大小重复。 Shuffle(译者注:重组新卡的过程,实现统计平衡)。一旦咖啡,杯子和空气达到热平衡,它们之间就不再有任何能量流动而且没有进一步的变化。因此,宇宙尺度上的热量平衡被称为“宇宙的热量”。

虽然很容易看到加热的效果(冷却咖啡和使宇宙变冷),但整个过程的开始并不明显。德国海德堡大学的理论物理学家JürgenBerges说:“如果你从像早期宇宙这样的平衡开始,那么时间之箭是如何根据第一原理出现的?”他研究的问题不仅仅是十年。

海德堡大学物理学教授JürgenBerges是理解均衡动力学普遍性的领导者。

在过去的几年里,伯格斯和他的同事们找到了一个令人惊讶的答案。研究人员发现了一种简单的,所谓的“通用”定律,它控制着由远离热平衡的许多粒子组成的各种系统的初始变化。他们的计算表明,这些系统,例如地球上产生的最热的等离子体和最冷的气体,理论上可以在的最初阶段填充宇宙的能量场,无论系统是由什么构成的,一些无处不在参数用于描述它们的时间演变。

研究结果表明,加热的初始阶段与后者非常不同。特别是在远离平衡的系统中,它们表现出类似分形的行为,这意味着它们在不同的空间和时间尺度上看起来非常相似。它们的属性只通过所谓的“规模指数”传递。科学家发现这些指数通常是简单的数字,类似于1/2和-1/3。例如,根据比例指数,可以重新调整某个时刻的粒子速度,以在任何时间给出速度分布。在各种极端初始条件下的各种量子系统似乎属于这种类似分形的图像,在转变为标准加热之前表现出一段时间的通用缩放。

“我认为这项工作非常令人兴奋,因为它提出了一个统一的法则,我们可以用它来理解远远不平衡的大类系统,”哈佛大学的量子物理学家妮可说,他没有参与这项工作。 Yunger Halpern说:“这些研究为我们带来了希望:即使是这些非常混乱和复杂的系统也可以通过简单的图像来描述。”

人们普遍认为,伯格是相关理论的带头人。自2008年以来,他们发表了一系列关于宇宙尺度物理图像的开创性论文。今年春天,这位合作者在prl的一篇论文中又迈出了一步,探索“预分级”,即普遍规模的增加。海德堡的thomas gasenzer团队也在五月prl论文中研究了预尺度,并进一步研究了分形行为的开始。

其他人正在研究宇宙常数的起源。一些研究人员正在实验室中探索平衡动力学。专家说,通用尺度也有助于解决关于如何加热量子系统的深层概念问题。

剑桥大学的zoran hadzibabic说,在各个方面都有“混乱的进展”。他和他的团队正在研究宇宙尺度,通过立即调整气态钾-39原子的相互作用强度,然后让它们进化。

能量级联

当伯格斯开始研究偏离平衡的动力学时,他想了解宇宙开始时的极端条件,构成现在宇宙的粒子就起源于这里。

这些情况应该在宇宙膨胀后不久发生。许多宇宙学家认为宇宙的爆炸性膨胀是大爆炸的开始。膨胀将摧毁任何现存的粒子,只留下空间本身的均匀能量:一个完全平滑、致密、振荡的能量场,称为“聚集体”。2008年,Berges与合作者Alexander Rothkopf和Jonas Schmidt模拟了这个凝聚体,他发现,它们进化的第一阶段应该表现出普遍的分形尺度。”你会发现,这个巨大的冷凝物会衰变成我们今天观察到的粒子,用几个数字可以非常优雅地描述出来。”

要了解这种普遍规模是什么样的,请考虑最近发现的生动的历史前兆。 1941年,俄罗斯数学家Andrey Kolmogorov描述了能量通过湍流“级联”的方式。例如,当您搅拌咖啡时,您会在大空间中产生漩涡。 Kolmogorov意识到这种涡旋会自发地产生较小的涡旋,以及较小的涡旋。 Kolmogorov源于流体的大小。当你搅拌咖啡时,你注入系统的能量以一般衰减的速度级联到较小的空间涡旋。

Kolmogorov的“-3/5方法”总是显得神秘,尽管它是动荡研究的基石。但现在物理学家已经发现平衡动力学中存在基本相同的一般分形。根据Berges的说法,两种情况都可能发生能量级联,因为它们是跨越规模分配能量的最有效方式。我们本能地知道这一点。伯格斯说:“如果你想在你的咖啡中添加糖,你就会搅拌它而不是摇晃它。你知道这是重新分配能量的最有效方法。“

平衡系统中的普遍缩放现象与湍流流体中的分形涡旋之间存在关键差异:在流体的情况下,Kolmogorov定律描述了跨越空间维度的能量级联。在这项新工作中,研究人员将平衡系统视为具有时间和空间分形的通用尺度。

以宇宙的诞生为出发点。在宇宙膨胀之后,假设的振荡和填充空间凝聚物将迅速转变为致密的量子粒子场,所有这些场都以相同的特征速度移动。伯格斯和他的同事推测,这些远处平衡的粒子随后开始出现在宇宙的热演化中,呈现出由通用尺度指数控制的分形尺度。

变革的初始阶段

加热能量在整个粒子系统中传播,直到热平衡趋势与时间箭头相关。

新的研究表明,这一过程先于一类称为通用尺度的分类。系统是自相似的,此时粒子的属性可以重新调整为前一个或最后一个时刻的属性。以下是早期宇宙衰退的假设。

远离平衡:在空间的指数膨胀之后,宇宙充满了以特定速度移动的粒子密度场。

通用尺度:颗粒呈指数增长或减速,慢速颗粒最终形成背景凝结物

加热:移动的颗粒分散,能量分布,直到达到平衡。

根据团队的计算和计算机模拟,有两个级联在相反的方向上移动,而不是像湍流一样的单个级联。在大多数系统中,粒子将从一个时刻到另一个时刻消失,并以特定速度级联到较低速度。在这种情况下,比例指数约为-3/2。最终它们将陷入停顿并形成另一种凝结物。 (这不会振荡或转化为粒子,而是逐渐衰变。)同时,离开慢粒子的大部分能量被级联到以指数速率加速的其他粒子。基本上,这些粒子移动得非常快。

然后快速粒子衰变成现今存在的夸克,电子和其他基本粒子。然后,这些颗粒将经历标准加热,散射和分配它们的能量。这个过程在今天的世界中继续,并将持续数万亿年。

更简化

早期宇宙的概念不容易检验。但在2012年左右,研究人员意识到实验中出现了偏离平衡的现象:在纽约相对论重离子对撞机和欧洲大型强子对撞机中,重原子核的速度接近光速被撞击在一起。

这些核碰撞产生极端的物质和能量结构,然后开始放松到平衡状态。你可能认为碰撞会造成复杂的混乱。但当伯格斯和他的同事从理论上分析这场碰撞时,他们发现了它们固有的结构和简单性。伯格斯说:“运动学可以用几个数字来编码。”

这种模式还在继续。2015年前后,在与实验超冷原子气的实验室交谈后,Berges、Gasenzer和其他理论家计算出,在快速冷却到平衡状态后,这些系统应该表现出普遍的规模。

去年秋天,两组由海德堡的马库斯奥伯塔勒领导,另一组由J?维也纳量子科学与技术中心的rg schmiedmayer,由领导,在[0x9a8b]杂志上报道,通过研究气体中的大约10个原子。各种属性在时空上的变化,也观察到分形的普遍尺度。“这也更简单,”Berges说,他是最早预测这一系统现象的人之一。“你可以看到动力学可以用一些标度指数和通用标度函数来描述。一些结果与早期宇宙预测的结果相同。这是普遍性。”

研究人员现在认为,普遍尺度现象发生在nK尺度的超冷原子系统,10万亿K级的核碰撞系统和早期宇宙的1万亿K级系统中。 “这就是普及的地方:你可以期待在不同的能量和长度尺度上看到这些现象,”Berges说。

人们最本质的兴趣可能仍然存在于早期宇宙中,但孤立的实验室系统具有高度可控性,使科学家能够理清早期变化阶段的普遍规律。 “我们知道盒子里的一切,”Hadzibabic说。 “这是一个与环境隔离的孤立系统,可以让你以纯粹的形式研究这种现象。”

一个主要的驱动因素是确定系统的规模指数来自何处。在某些情况下,专家已经跟踪系统占用的空间维数的索引,其对称性维持系统的各种操作模式(正如旋转90度时方形保持不变)。

这些见解有助于解决系统加热过程中过去信息的悖论。量子力学要求随着粒子的进化,关于过去的信息永远不会丢失。然而,加热似乎与此相反:当两杯不间断的咖啡达到室温时,你怎么知道哪一个变得更热?

似乎随着系统开始发展,关键细节(例如其对称性)被保留并在比例索引中编码,指示其分形演变,而其他细节,例如其粒子的初始配置或它们之间的相互作用,它的行为它变得无关紧要,并被这些粒子完全破坏。

这种破坏过程确实很早就发生了。在今年春天的论文中,Berges,Gasenzer及其合作者首次独立描述了预标度。他们的文章出现在预测核碰撞系统和超冷原子系统的普遍规模之前的一段时间。规模前。预定标记表明,当尺度指数首次从其初始平衡状态演变时,它并未完美地描述它。系统保留了以前的一些结构:其初始配置的残余。但随着预定的进展,系统在空间和时间上采用更一般的形式,基本上模糊了关于其自身过去的无关信息。如果在未来的实验中确认了这个想法,那么预定标可能是将时间箭头锁定在弓弦上。

译者注:尺度理论是一种现象学理论,在总结,分析和总结实验结果的基础上研究临界现象。它不能确定关键指数的值,但可以建立关键指数缩放规律之间的关系。

对普遍存在的现象的观察具有意想不到的分形行为,这可能为我们提供关于早期宇宙和时间箭头的线索。

将牛奶倒入咖啡中,白色漩涡和卷须会迅速褪色至棕色。半小时后,饮料将冷却至室温,几天后液体将蒸发。在接下来的几个世纪中,杯子将会崩溃,经过数十亿年后,整个行星,太阳和太阳系将会消散。在整个宇宙中,所有的物质和能量都在咖啡和星星等热点中传播,最终(几万亿年后)在太空中均匀分布。换句话说,咖啡和宇宙的未来是一样的。

这种物质和能量的逐渐扩散,我们称之为“加热”,与时间有关。事实上,时间之箭是不可逆转的,所以热咖啡会变冷但从不会自发升温,但这并不是由咖啡分子的基本运动定律决定的。相反,加热是一个统计结果:咖啡的热量更容易扩散到空气中,而不是将能量集中到咖啡中的冷空气分子,就像洗新卡一样,而不是根据颜色和大小重复。 Shuffle(译者注:重组新卡的过程,实现统计平衡)。一旦咖啡,杯子和空气达到热平衡,它们之间就不再有任何能量流动而且没有进一步的变化。因此,宇宙尺度上的热量平衡被称为“宇宙的热量”。

虽然很容易看到加热的效果(冷却咖啡和使宇宙变冷),但整个过程的开始并不明显。德国海德堡大学的理论物理学家JürgenBerges说:“如果你从像早期宇宙这样的平衡开始,那么时间之箭是如何根据第一原理出现的?”他研究的问题不仅仅是十年。

海德堡大学物理学教授JürgenBerges是理解均衡动力学普遍性的领导者。

在过去的几年里,伯格斯和他的同事们找到了一个令人惊讶的答案。研究人员发现了一种简单的,所谓的“通用”定律,它控制着由远离热平衡的许多粒子组成的各种系统的初始变化。他们的计算表明,这些系统,例如地球上产生的最热的等离子体和最冷的气体,理论上可以在的最初阶段填充宇宙的能量场,无论系统是由什么构成的,一些无处不在参数用于描述它们的时间演变。

研究结果表明,加热的初始阶段与后者非常不同。特别是在远离平衡的系统中,它们表现出类似分形的行为,这意味着它们在不同的空间和时间尺度上看起来非常相似。它们的属性只通过所谓的“规模指数”传递。科学家发现这些指数通常是简单的数字,类似于1/2和-1/3。例如,根据比例指数,可以重新调整某个时刻的粒子速度,以在任何时间给出速度分布。在各种极端初始条件下的各种量子系统似乎属于这种类似分形的图像,在转变为标准加热之前表现出一段时间的通用缩放。

“我认为这项工作非常令人兴奋,因为它提出了一个统一的法则,我们可以用它来理解远远不平衡的大类系统,”哈佛大学的量子物理学家妮可说,他没有参与这项工作。 Yunger Halpern说:“这些研究为我们带来了希望:即使是这些非常混乱和复杂的系统也可以通过简单的图像来描述。”

人们普遍认为,伯格斯是相关理论的领导者。自2008年以来,他们发表了一系列关于通用尺度物理图像的开创性论文。这位合着者今年春天在PRL的一篇论文中又迈出了一步,探索“预定标准”,即普及规模的增加。海德堡的Thomas Gasenzer团队还研究了5月份PRL论文中的预标度,并进一步研究了分形行为的开始。

而其他人正在研究普遍常数的起源。一些研究人员正在探索实验室中的平衡动力学。专家说,通用尺度也有助于解决关于量子系统如何加热的深层概念问题。

剑桥大学的Zoran Hadzibabic说,各个方面都有“混乱的进展”。他和他的团队正在研究通用尺度,即刻调整气态钾-39原子的相互作用强度,然后让它们进化。

能量级联

当伯格斯开始研究远离平衡的动力学时,他想要了解宇宙开始时的极端条件,构成现存宇宙的粒子起源于此。

这些条件应该在宇宙膨胀后不久发生。许多宇宙学家认为宇宙的爆炸性膨胀是宇宙大爆炸的开始。膨胀将破坏任何现有的粒子,只留下空间本身的均匀能量:一个完全光滑,密集,振荡的能量场,称为“聚合体”。 Berges在2008年与合作者Alexander Rothkopf和Jonas Schmidt一起模拟了这种冷凝物,他们发现其演化的第一阶段应该表现出普遍的分形。 “你会发现这种大型冷凝物会衰变成我们今天观察到的颗粒,并且可以通过几个数字来描述它们,”他说。

要了解这种普遍规模是什么样的,请考虑最近发现的生动的历史前兆。 1941年,俄罗斯数学家Andrey Kolmogorov描述了能量通过湍流“级联”的方式。例如,当您搅拌咖啡时,您会在大空间中产生漩涡。 Kolmogorov意识到这种涡旋会自发地产生较小的涡旋,以及较小的涡旋。 Kolmogorov源于流体的大小。当你搅拌咖啡时,你注入系统的能量以一般衰减的速度级联到较小的空间涡旋。

Kolmogorov的“-3/5方法”总是显得神秘,尽管它是动荡研究的基石。但现在物理学家已经发现平衡动力学中存在基本相同的一般分形。根据Berges的说法,两种情况都可能发生能量级联,因为它们是跨越规模分配能量的最有效方式。我们本能地知道这一点。伯格斯说:“如果你想在你的咖啡中添加糖,你就会搅拌它而不是摇晃它。你知道这是重新分配能量的最有效方法。“

平衡系统中的普遍缩放现象与湍流流体中的分形涡旋之间存在关键差异:在流体的情况下,Kolmogorov定律描述了跨越空间维度的能量级联。在这项新工作中,研究人员将平衡系统视为具有时间和空间分形的通用尺度。

以宇宙的诞生为出发点。在宇宙膨胀之后,假设的振荡和填充空间凝聚物将迅速转变为致密的量子粒子场,所有这些场都以相同的特征速度移动。伯格斯和他的同事推测,这些远处平衡的粒子随后开始出现在宇宙的热演化中,呈现出由通用尺度指数控制的分形尺度。

变革的初始阶段

加热能量在整个粒子系统中传播,直到热平衡趋势与时间箭头相关。

新的研究表明,这一过程先于一类称为通用尺度的分类。系统是自相似的,此时粒子的属性可以重新调整为前一个或最后一个时刻的属性。以下是早期宇宙衰退的假设。

远离平衡:在空间的指数膨胀之后,宇宙充满了以特定速度移动的粒子密度场。

通用尺度:颗粒呈指数增长或减速,慢速颗粒最终形成背景凝结物

加热:移动的颗粒分散,能量分布,直到达到平衡。

根据团队的计算和计算机模拟,有两个级联在相反的方向上移动,而不是像湍流一样的单个级联。在大多数系统中,粒子将从一个时刻到另一个时刻消失,并以特定速度级联到较低速度。在这种情况下,比例指数约为-3/2。最终它们将陷入停顿并形成另一种凝结物。 (这不会振荡或转化为粒子,而是逐渐衰变。)同时,离开慢粒子的大部分能量被级联到以指数速率加速的其他粒子。基本上,这些粒子移动得非常快。

然后快速粒子衰变成现今存在的夸克,电子和其他基本粒子。然后,这些颗粒将经历标准加热,散射和分配它们的能量。这个过程在今天的世界中继续,并将持续数万亿年。

更简化

早期宇宙的想法不容易测试。但在2012年左右,研究人员意识到实验中的平衡发生了转变:在纽约相对论重离子对撞机和欧洲大型强子对撞机中,重核很接近光速的速度一起被击中。

这些核碰撞产生极端的物质和能量结构,然后开始松弛至平衡。您可能认为碰撞会造成复杂的混乱。但当伯格斯和他的同事在理论上分析碰撞时,他们发现了它们固有的结构和简单性。 Berges说,“运动学可以用几个数字编码。”

这种模式还在继续。 2015年左右,在与实验过冷原子气体的实验室交谈之后,Berges,Gasenzer和其他理论家计算出这些系统在快速冷却到平衡条件后应该表现出通用规模。

去年秋天,两组由海德堡的Markus Oberthaler领导,另一组由维也纳量子科学与技术中心的J?rg Schmiedmayer领导,由领导并在《科学》杂志中报道,研究了大约10个原子。加油站。在空间和时间的各种属性的变化,他们也观察到分形的普遍尺度。 “它也更简单,”伯格斯说,他是第一个预测这种系统性现象的人之一。 “你可以看到动力学可以用一些尺度指数和通用尺度函数来描述。一些结果与早期宇宙中预测的结果相同。这是普遍性。“

研究人员现在认为,普遍尺度现象发生在nK尺度的超冷原子系统,10万亿K级的核碰撞系统和早期宇宙的1万亿K级系统中。 “这就是普及的地方:你可以期待在不同的能量和长度尺度上看到这些现象,”Berges说。

人们最本质的兴趣可能仍然存在于早期宇宙中,但孤立的实验室系统具有高度可控性,使科学家能够理清早期变化阶段的普遍规律。 “我们知道盒子里的一切,”Hadzibabic说。 “这是一个与环境隔离的孤立系统,可以让你以纯粹的形式研究这种现象。”

一个主要的驱动因素是确定系统的规模指数来自何处。在某些情况下,专家已经跟踪系统占用的空间维数的索引,其对称性维持系统的各种操作模式(正如旋转90度时方形保持不变)。

这些见解有助于解决系统加热过程中过去信息的悖论。量子力学要求随着粒子的进化,关于过去的信息永远不会丢失。然而,加热似乎与此相反:当两杯不间断的咖啡达到室温时,你怎么知道哪一个变得更热?

似乎随着系统开始发展,关键细节(例如其对称性)被保留并在比例索引中编码,指示其分形演变,而其他细节,例如其粒子的初始配置或它们之间的相互作用,它的行为它变得无关紧要,并被这些粒子完全破坏。

这种破坏过程确实很早就发生了。在今年春天的论文中,Berges,Gasenzer及其合作者首次独立描述了预标度。他们的文章出现在预测核碰撞系统和超冷原子系统的普遍规模之前的一段时间。规模前。预定标记表明,当尺度指数首次从其初始平衡状态演变时,它并未完美地描述它。系统保留了以前的一些结构:其初始配置的残余。但随着预定的进展,系统在空间和时间上采用更一般的形式,基本上模糊了关于其自身过去的无关信息。如果在未来的实验中确认了这个想法,那么预定标可能是将时间箭头锁定在弓弦上。

译者注:尺度理论是一种现象学理论,在总结,分析和总结实验结果的基础上研究临界现象。它不能确定关键指数的值,但可以建立关键指数缩放规律之间的关系。

热门浏览
热门排行榜
热门标签
日期归档