시간의 화살을 목표로하는 보편적 법

커피에 우유를 붓고 흰색의 에디와 덩굴손은 곧 갈색으로 사라집니다. 30 분 안에 음료는 실온으로 식 힙니다. 며칠 동안 남은 액체가 증발합니다. 수세기 후, 컵은 분해 될 것이며, 수십억 년 후 지구, 태양 및 태양계가 분산 될 것입니다. 우주 전체에서, 모든 물질과 에너지는 커피 나 별과 같은 핫스팟에서 확산되고 있으며, 궁극적으로 (수조 수십 년 후) 공간을 통해 균일하게 퍼지도록합니다. 다시 말해, 같은 미래는 커피와 우주를 기다리고 있습니다.

"열화"라고 불리는 물질과 에너지의 점진적인 확산은 시간의 화살표를 목표로합니다. 그러나 시간의 화살이 돌이킬 수 없기 때문에 뜨거운 커피가 식지 만 자발적으로 가열되지 않도록 커피에서 분자의 움직임을 지배하는 기본 법률에는 기록되지 않습니다. 오히려 열화는 통계적 결과입니다. 커피의 열은 차가운 공기 분자가 카드의 순서를 무작위로 무작위 화하는 것처럼 차가운 공기 분자가 커피에 에너지를 집중시키는 것보다 공기로 퍼질 가능성이 훨씬 높습니다. 커피, 컵 및 공기가 열 평형에 도달하면 더 이상 에너지가 흐르지 않으며 더 이상 변화가 발생하지 않습니다. 따라서 우주 규모의 열 평형은“우주의 열 죽음”이라고 불립니다.

그러나 열화가 어디에서 이끄는 곳 (미초 커피와 최종 열 사망)을 쉽게 알 수 있지만 프로세스가 어떻게 시작되는지는 분명하지 않습니다. "초기 우주와 마찬가지로 평형에서 멀리 떨어져 있다면 첫 번째 원칙에서 시작하여 시간의 화살이 어떻게 나타나나요?" 독일 하이델베르크 대학교 (Heidelberg University)의 이론 물리학자인 Jürgen Berges는 10 년 이상이 문제를 연구 한

지난 몇 년 동안 Berges와 동료 네트워크는 놀라운 대답을 발견했습니다. 연구원들은 열 평형과는 거리가 멀고 많은 입자로 구성된 다양한 시스템의 초기 변화 단계를 관리하는 단순하고 소위 "보편적"법률을 발견했습니다. 그들의 계산은 이러한 시스템 (예 :지구에서 생산 된 가장 인기있는 플라즈마와 가장 추운 가스, 아마도 이론적으로 처음으로 분할 된 에너지 분야가 포함되어 있음을 나타냅니다. 시스템이 무엇을 구성하든 상관없이 동일한 소수의 보편적 숫자에 의해 묘사 된 방식으로 시간이 발전하기 시작합니다.

결과는 열화의 초기 단계가 나중에 오는 것과는 매우 다른 방식으로 재생된다는 것을 시사합니다. 특히, 균형이 멀리 떨어진 평형 시스템은 프랙탈과 같은 거동을 나타내며, 이는 다른 공간 및 시간적 척도에서 거의 동일하게 보입니다. 그들의 속성은 소위 "스케일링 지수"에 의해서만 이동합니다. 과학자들은 이러한 지수가 종종 $ latex \ frac {1} {2} $ 및 $ latex -\ frac {1} {3} $와 같은 간단한 숫자임을 발견하고 있습니다. 예를 들어, 한 순간의 입자 속도는 스케일링 지수에 따라 나중에 또는 그 이전에 언제든지 속도를 분배 할 수 있습니다. 다양한 극단적 인 시작 조건에서 모든 종류의 양자 시스템은이 프랙탈과 같은 패턴에 속하는 것으로 보이며, 표준 열 화으로 전환하기 전에 일정 기간 동안 보편적 인 스케일링을 나타냅니다.

하버드 대학교의 양자 물리학자인이 작업에 관여하지 않은 양자 물리학 자 니콜 유거 할퍼 른 (Nicole Yunger Halpern)은“이 작품은 우리가 균형이 잘되는 많은 종류의 평형 시스템을 이해하는 데 사용할 수있는 통일 원칙을 철회하기 때문에 흥미 롭다는 것을 알게되었습니다. "이 연구는 간단한 패턴을 가진 매우 지저분하고 복잡한 시스템조차 설명 할 수 있기를 희망합니다."

Berges는 2008 년 이래로 보편적 인 스케일링의 물리학을 설명하는 일련의 주요 논문과 함께 이론적 노력을 주도하는 것으로 널리 알려져 있습니다. 그와 공동 저자는 올 봄에 물리 검토 편지의 논문에서 또 다른 단계를 밟았습니다 그것은 보편적 인 스케일링으로의 램프 업인“Prescaling”을 탐구했습니다. Heidelberg의 Thomas Gasenzer가 이끄는 그룹은 또한 prl 에서 Prescaling을 조사했습니다. 5 월 종이, 프랙탈과 같은 행동의 시작을 더 깊이 보여줍니다.

일부 연구자들은 현재 실험실에서 균등 한 동적 역학을 탐구하고 있습니다. 전문가들은 유니버설 스케일링이 양자 시스템이 어떻게 열화 할 수 있는지에 대한 깊은 개념적 질문을 해결하는 데 도움이되고 있다고 말합니다.

케임브리지 대학교의 조란 하치 바비치 (Joran Hadzibabic)는“다양한 전선에는 혼란스러운 진전이있다”고 말했다. 그와 그의 팀은 갑자기 원자의 상호 작용 강도를 발로하여 진화하게함으로써 칼륨 -39 원자의 뜨거운 가스에서 보편적 인 스케일링을 연구하고 있습니다.

에너지 캐스케이드

Berges가 원 평형 역학을 공부하기 시작했을 때, 그는 현재 우주를 채우는 입자가 시작되었을 때 우주의 시작 부분에서 극한의 조건을 이해하고 싶었습니다.

이러한 조건은“우주 인플레이션”직후에 발생했을 것입니다. 인플레이션은 기존 입자 자체의 균일 한 에너지 만 남겨 두었을 것입니다.“응축수”로 알려진 완벽하게 매끄럽고 밀도가 높고 진동하는 에너지 분야. Berges는 2008 년에 공동 작업자 Alexander Rothkopf와 Jonas Schmidt와 함께이 응축수를 모델링했으며, 진화의 첫 단계가 프랙탈과 같은 보편적 스케일링을 보여 주어야한다는 것을 발견했습니다. "이 큰 응축수가 오늘날 우리가 관찰하는 입자로 부패했을 때,이 과정은 몇 숫자로 매우 우아하게 설명 될 수 있음을 알 수 있습니다."

이 보편적 인 스케일링 현상이 어떻게 보이는지 이해하려면 최근 발견의 생생한 역사적 선구자를 고려하십시오. 1941 년 러시아 수학자 인 Andrey Kolmogorov는 난류가 난류를 통한 에너지“캐스케이드”방식을 묘사했습니다. 예를 들어 커피를 저어 주면 큰 공간 규모의 소용돌이를 만듭니다. Kolmogorov는이 와류가 자발적으로 작은 에디를 생성 할 것이라는 것을 깨달았으며, 이는 여전히 작은 에디를 생성합니다. 커피를 저어 주면서 시스템에 주입 된 에너지는 공간 스케일을 더 작고 작은 에디로 캐스케이드하며, allatex \ frac {5} {3} $의 보편적 지수 붕괴 계수에 의해 설명 된 에너지 전달 속도와 함께, 콜모 모로 로브는 Fluid의 치수에서 추론했다.

Kolmogorov의“$ latex -\ frac {5} {3} $ law”는 난기류 연구의 초석 역할을 했음에도 불구하고 항상 신비한 것처럼 보였습니다. 그러나 지금 물리학 자들은 본질적으로 평형 동적 역학에서 동일한 계단식, 프랙탈과 같은 보편적 스케일링 현상을 발견하고 있습니다. Berges에 따르면, 에너지 캐스케이드는 아마도 규모에 따라 에너지를 분배하는 가장 효율적인 방법이기 때문에 두 맥락에서 발생할 수 있습니다. 우리는 본능적으로 이것을 알고 있습니다. Berges는“커피에 설탕을 배포하려면 설탕을 흔들고있다”고 말했다. "이것이 에너지를 재분배하는 가장 효율적인 방법이라는 것을 알고 있습니다."

균등 한 평형 시스템의 범용 스케일링 현상과 혼란스러운 유체의 프랙탈 에디 사이에는 한 가지 주요 차이점이 있습니다. 유체의 경우 Kolmogorov의 법칙은 공간 치수에 걸쳐 계단식 에너지를 설명합니다. 새로운 연구에서 연구원들은 시간과 공간 모두에서 프랙탈과 유사한 범용 스케일링을 겪고있는 균등 한 정식 시스템을보고 있습니다.

우주의 탄생. 우주 인플레이션 후, 가상의 진동, 공간 충족 응축수는 동일한 특성 속도로 움직이는 양자 입자의 조밀 한 분야로 빠르게 변형되었을 것입니다. Berges와 그의 동료들은이 광범위한 평형 입자가 우주의 열 진화를 시작하면서 보편적 인 스케일링 지수에 의해 지배되는 프랙탈 스케일링을 나타냈다.

팀의 계산 및 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 난류 유체에서 찾을 수있는 것과 같은 단일 캐스케이드 대신, 반대 방향으로 두 개의 캐스케이드가 있었을 것입니다. 시스템의 대부분의 입자는 한 순간에서 다음 순간으로 속도가 느려졌으며, 특징적인 속도로 캐스케이드가 느리고 속도가 느려질 것입니다. 결국 그들은 다른 응축수를 형성하여 정지에 도달했을 것입니다. (이것은 입자로 진동하거나 변형되지 않을 것입니다. 대신 점차 부패 할 것입니다.) 한편, 느린 입자를 떠나는 대부분의 에너지는 지수 $ ratex \ frac {1} {2} $에 의해 관리되는 속도로 속도를 얻는 몇 가지 입자로 계단식으로 계단식을 만들었을 것입니다. 본질적으로,이 입자들은 매우 빠르게 움직이기 시작했다.

빠른 입자는 이후 오늘날 존재하는 쿼크, 전자 및 기타 기본 입자로 붕괴되었을 것입니다. 이 입자들은 표준 열화를 거쳐 서로 흩어져 에너지를 분배했을 것입니다. 이 과정은 현재 우주에서 여전히 진행 중이며 수십억 년 동안 계속 될 것입니다.

단순성이 발생합니다

초기 우주에 대한 아이디어는 쉽게 테스트 할 수 없습니다. 그러나 2012 년경, 연구원들은 실험에서 크게 평형 시나리오가 발생한다는 것을 깨달았습니다. 즉, 뉴욕과 유럽의 대형 Hadron Collider에서 무거운 원자 핵이 거의 빛의 속도로 함께 부서 질 때.

이러한 핵 충돌은 물질과 에너지의 극심한 구성을 만들어 균형을 향해 편안하게 시작합니다. 충돌이 복잡한 혼란을 일으킬 것이라고 생각할 수도 있습니다. 그러나 Berges와 그의 동료들이 이론적으로 충돌을 분석했을 때, 그들은 구조와 단순성을 발견했습니다. Berges는 Dynamics는“몇 숫자로 인코딩 될 수있다”고 말했다.

패턴이 계속되었습니다. 2015 년경, 실험실에서 초음파 원자 가스를 조사한 실험가들과 대화 한 후, Berges, Gasenzer 및 기타 이론가들은 이러한 시스템이 평형에서 가장 멀리 떨어진 조건에 빠르게 냉각 된 후 보편적 인 스케일링을 보인다고 계산했습니다.

지난 가을, Heidelberg의 Markus Oberthaler가 이끄는 두 그룹과 Vienna Quantum Science and Technology Center의 Jörg Schmiedmayer가 이끄는 두 그룹은 자연에서 동시에보고했습니다. 그들은 가스에서 100,000 개 또는 소문의 다양한 특성이 공간과 시간에 걸쳐 변화하는 방식에서 프랙탈과 같은 범용 스케일링을 관찰했다. Berges는“다시 한 번 단순성이 발생합니다. “역학은 몇 가지 스케일링 지수와 범용 스케일링 기능으로 설명 할 수 있음을 알 수 있습니다. 그리고 그들 중 일부는 초기 우주의 입자에 대해 예측 된 것과 동일하게 판명되었습니다. 그것이 보편적입니다.”