时空涟漪 - 科学家揭开引力波之间相互作用的秘密

时空涟漪-科学家揭开引力波之间相互作用的秘密当两个黑洞相撞时，其冲击力是如此之大，以至于我们在地球上都能探测到。这些天体是如此巨大，以至于它们的碰撞会在时空本身产生涟漪。科学家称这些涟漪为引力波。虽然爱因斯坦早在1916年就预言了引力波的概念，但物理学家直到2015年才在LIGO（激光干涉引力波天文台）上直接探测到引力波。现在，在能源部科学办公室和其他几个联邦机构的支持下，科学家们正在努力更好地理解这些引力波，以及它们能告诉我们有关黑洞的信息。除了威力巨大之外，这些碰撞还具有令人难以置信的复杂物理特性。为了准确，对它们的计算机模拟也必须非常复杂。模拟需要包括碰撞过程中的每一个步骤：黑洞相互螺旋上升、合并、变成一个扭曲的黑洞，然后沉降为一个单一的黑洞。这个过程非常复杂，科学家需要超级计算机来运行模拟。这张照片来自"模拟极端时空"（SimulatingeXtremeSpacetimes，简称SXS）合作项目利用超级计算机进行的模拟，照片中两个黑洞即将合并。当黑洞旋转在一起时，它们会在空间和时间上产生被称为引力波的涟漪。图片来源：SXSLensing/SimulatingeXtremeSpacetimesCollaboration然后，物理学家将这些模拟的数值数据与这一过程的模型进行比较。旧版本的模型显示引力波不会相互影响或相互作用。然而，科学家们怀疑这并不准确。试想一下，两个人相邻站在一个水池里制造引力波。如果每个人发出的波都非常小，那么这些波就有可能互不干扰。它们在相互影响之前就会消失。但是，如果两个人都在制造大波浪，波浪就会相互碰撞，产生新的波浪。科学家们知道碰撞会产生强烈的引力波，因此认为它们会相互影响--只是没有显示出来而已。来自加州理工学院（Caltech）、哥伦比亚大学、密西西比大学、康奈尔大学和马克斯-普朗克引力物理研究所的一个研究小组对这些数值输出进行了新的、更详细的分析。分析结果表明，引力波之间存在相互作用。每个波都会导致其他波发生轻微变化。相互作用产生了具有各自独立频率的新型波。这些新的波比原来的波更小、更混乱、更不可预测。通过在模型中加入这一特征，科学家们可以更准确地描述数值输出告诉他们的信息。LIGO利文斯顿实验室。资料来源：LIGO实验室在黑洞碰撞模型中加入这些相互作用将使模型更加精确。反过来，这些模型将帮助我们更好地解释真实世界的观测结果。模型越精确，对解读来自LIGO的数据就越有用。此外，更好的模型还能帮助科学家弄清广义相对论是否是解释黑洞实际情况的正确理论。虽然广义相对论--爱因斯坦提出的著名理论广泛地解释了引力如何影响时空，但这一理论在多大程度上适用于黑洞的奇特性质仍有待确定。黑洞碰撞距离地球和我们的日常生活遥远得难以想象。虽然我们无法亲身感受到引力波，但科学家们获得的数据和建立的模型每天都在扩展我们对这些不可思议现象的认识。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389973.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389973.htm

中微子-光子相互作用：科学家揭开粒子物理学的神秘面纱

中微子-光子相互作用：科学家揭开粒子物理学的神秘面纱石川说："我们的研究成果对于理解一些最基本的物质粒子的量子力学相互作用非常重要。它们还可能有助于揭示太阳和其他恒星中目前鲜为人知的现象的细节"。中微子是最神秘的基本物质粒子之一。由于中微子几乎不与其他粒子发生任何相互作用，因此极难对其进行研究。它们呈电中性，几乎没有质量。然而，它们的数量却非常丰富，大量的中微子不断从太阳中流出，穿过地球，甚至穿过我们自己，却几乎没有任何影响。了解更多有关中微子的信息，对于检验和完善我们目前对粒子物理学（即标准模型）的理解非常重要。日全食，日冕清晰可见。"在正常的'经典'条件下，中微子不会与光子发生相互作用，"石川解释说，"然而，我们已经揭示了中微子和光子如何能够在极大规模的均匀磁场中发生相互作用--大到103千米--这种磁场出现在恒星周围被称为等离子体的物质形态中。等离子体是一种电离气体，这意味着它的所有原子都获得了或多或少的电子，使它们成为带负电或正电的离子，而不是地球上日常条件下可能出现的中性原子。"弱电霍尔效应及其影响研究人员所描述的相互作用涉及到一种名为"电弱霍尔效应"的理论现象。这是电与磁在极端条件下的相互作用，自然界的两种基本力--电磁力和弱作用力--在此融合为弱电。这是一个理论概念，预计只适用于早期宇宙的极高能条件或粒子加速器的碰撞中。研究得出了这种意想不到的中微子-光子相互作用的数学描述，即拉格朗日。它描述了有关该系统能量状态的所有已知信息。石川健三，该研究的第一作者和通讯作者。图片来源：SohailKeeganPinto石川说："除了有助于我们理解基础物理学之外，我们的研究还可能有助于解释日冕加热之谜。这是一个由来已久的谜团，它涉及太阳最外层大气--日冕--的温度远高于太阳表面温度的机制。我们的工作表明，中微子和光子之间的相互作用释放出能量，使日冕升温"。石川在总结发言中表达了他们团队的愿望："我们现在希望继续我们的工作，寻找更深入的见解，特别是在这些极端条件下中微子和光子之间的能量转移"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383901.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383901.htm

科学家揭秘细菌物种间的相互作用与组织动态模式

科学家揭秘细菌物种间的相互作用与组织动态模式由于两种细菌物种之间的追逐相互作用，可以创建结构模式。在一个新模型中，马克斯·普朗克动力学与自组织研究所(MPI-DS)的科学家描述了个体层面的相互作用如何导致物种的自组织，他们的发现提供了对集体行为一般机制的见解。在最近的一项研究中，MPI-DS生命物质物理系的科学家开发了一个模型来描述细菌群体中的通讯途径。细菌通过感知环境中化学物质的浓度并调整其运动来表现出整体的组织模式。“我们模拟了两种细菌之间的非互惠相互作用，”第一作者YuDuan解释道。“这意味着物种A正在追逐物种B，而物种B的目标是排斥物种A。”研究人员发现，仅仅这种追逐和避免的相互作用就足以形成一种结构模式。生成的模式的类型取决于交互的强度。这补充了之前的一项研究，其中提出了一个模型，该模型还包括细菌的种内相互作用，以形成一种模式。根据两个物种A和B之间的追逐和避免相互作用，不同的自组织模式可以在全球层面上进化。图片来源：MPI-DS/LMP在这个新模型中，还包括细菌运动的影响，不需要粘附或对齐来形成包含数百万个体的复杂超级结构。“虽然细菌种群动态显示出整体秩序，但在个体细菌水平上情况并非如此。特别是，单个细菌似乎以无序的方式移动，其结构只有在更高的水平上才可见，这非常令人着迷。”MPI-DS生命物质物理系组长BenoîtMahault总结道。该模型还允许考虑两个以上的物种，增加可能的相互作用和新兴模式的数量。值得注意的是，它也不限于细菌，还可以应用于各种集体行为。其中包括光控微型游泳者、群居昆虫、动物群体和机器人群。因此，这项研究提供了关于在具有许多组件的网络中形成大规模结构的机制的一般见解。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389173.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389173.htm

物理学家成功模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散

物理学家成功模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散这项工作是TCD-IBM博士前奖学金项目的首批成果之一，该项目是最近设立的，IBM在三一学院联合指导博士生的同时，还聘用博士生作为员工。该论文最近发表在著名的《自然》杂志《NPJ量子信息》上。IBM是令人兴奋的量子计算领域的全球领导者。这项研究中使用的早期量子计算机由27个超导量子比特组成（量子比特是量子逻辑的构件），物理上位于IBM位于纽约约克城高地的实验室内，并在都柏林进行远程编程。量子计算是目前最令人兴奋的技术之一，预计在未来十年内将逐渐接近商业应用。除了商业应用，量子计算机还能帮助解决一些令人着迷的基本问题。都柏林圣三一大学和IBM的团队就解决了这样一个有关量子模拟的问题。新成立的圣三一量子联盟（TrinityQuantumAlliance）主任约翰-戈尔德（JohnGoold）教授是这项研究的负责人，他在解释这项工作的意义和量子模拟的总体理念时说"一般来说，模拟由许多相互作用的成分组成的复杂量子系统的动力学问题，对传统计算机来说是一项艰巨的挑战。考虑到这一特定设备上的27个量子位。在量子力学中，这样一个系统的状态是由一个称为波函数的对象来进行数学描述的。要使用标准计算机来描述这个对象，就需要在内存中存储大量的系数，而这些系数的需求是随着量子比特数量的增加而呈指数级增长的；在这个模拟案例中，大约需要1.34亿个系数。""当系统增长到300个比特时，要描述这样一个系统，所需的系数将超过可观测宇宙中的原子数量，而任何经典计算机都无法精确捕捉系统的状态。换句话说，我们在模拟量子系统时会碰壁。使用量子系统模拟量子动力学的想法可以追溯到美国诺贝尔物理学奖得主理查德-费曼，他提出量子系统最好使用量子系统模拟。原因很简单--你自然会利用量子计算机是由波函数描述的这一事实，从而规避了存储状态所需的指数级经典资源"。那么，研究小组究竟模拟了什么呢？Goold教授继续介绍说："一些最简单的非三维量子系统是自旋链。这些系统由被称为自旋的小磁体连接而成，模仿更复杂的材料，用于理解磁性。我们对一种叫做海森堡链的模型很感兴趣，尤其对自旋激发如何在整个系统中传输的长时间行为感兴趣。在这种长时限制下，量子多体系统进入流体力学体系，传输由描述经典流体的方程来描述。""我们对一种特殊的机制很感兴趣，在这种机制中，由于基础物理学受卡尔达-帕里斯-张方程（Kardar-Parisi-Zhangequation）的支配，会出现一种叫做超扩散的现象。该方程通常描述表面或界面的随机增长，如暴风雪中雪的高度如何增长，咖啡杯在布上的污渍如何随时间增长，或绒毛火如何增长。这种传播被称为超扩散传输。这种传输会随着系统规模的增大而变得越来越快。令人惊奇的是，量子动力学中也出现了支配这些现象的方程，我们能够利用量子计算机来验证这一点。这是这项工作的主要成就。"IBM-Trinity博士前期学者内森-基南（NathanKeenan）是该项目的编程人员，他向我们讲述了量子计算机编程所面临的一些挑战。他说："量子计算机编程的最大问题是在存在噪声的情况下进行有用的计算。在芯片级执行的运算并不完美，而且计算机对来自实验室环境的干扰非常敏感。因此，总是希望尽量缩短有用程序的运行时间，因为这将缩短这些错误和干扰发生并影响结果的时间。"IBM英国和爱尔兰研究院院长胡安-贝尔纳贝-莫雷诺（JuanBernabé-Moreno）说："IBM在推动量子计算技术方面有着悠久的历史，不仅带来了数十年的研究成果，还提供了最大、最广泛的商业量子计划和生态系统。我们与都柏林圣三一学院通过量子科学与技术硕士和博士项目开展的合作就体现了这一点，我很高兴这项合作已经取得了可喜的成果。"随着世界进入量子模拟的新时代，令人欣慰的是，都柏林圣三一学院的量子物理学家站在最前沿--为未来的设备编程。量子模拟是由约翰-古尔德（JohnGoold）教授创立并领导的新成立的三位一体量子联盟的核心研究支柱，该联盟拥有五家创始工业合作伙伴，包括IBM、微软、Algorithmiq、Horizon和MoodysAnalytics。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388299.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388299.htm

重新想象我们的宇宙：右手定则和中子衰变的相互作用

重新想象我们的宇宙：右手定则和中子衰变的相互作用当中子中的一个下夸克发射出一个W玻色子并转化为一个上夸克时，一个旋转的中子就会分解成一个质子、电子和反中子。带电粒子之间的光量子（γ）的交换改变了这种转变的强度。资料来源：图片由核理论研究所VincenzoCirigliano提供。在原子核之外，中子是不稳定的粒子，其寿命约为15分钟。中子由于弱核力的作用而解体，留下一个质子、一个电子和一个反中子。弱核力是宇宙中的四种基本力之一，另外还有强力、电磁力和引力。将中子衰变的实验测量结果与基于弱核力的理论预测相比较，可以揭示出迄今为止尚未发现的相互作用。要做到这一点，研究人员必须达到极高的精度水平。一个核理论家小组在中子衰变中发现了一个新的、相对较大的效应，它来自于弱核力和电磁力的相互作用。这项研究确定了一个旋转的中子在经历弱核力时的强度变化。这有两个主要影响。首先，科学家们自1956年以来就知道，由于弱力的作用，一个系统和一个像其镜像一样的系统的行为方式是不一样的。换句话说，镜面反射对称性被打破。这项研究影响到寻找新的相互作用，技术上称为"右手定则"，在非常短的距离内，即不到十万亿分之一厘米的距离内，恢复宇宙的镜像反射对称性。第二，这项研究指出，需要以更高的精度计算电磁效应。这样做将需要使用未来的高性能计算机。一个研究小组计算了由于光子（光量子）的发射和吸收而产生的电磁相互作用对中子衰变的影响。该团队包括来自华盛顿大学核理论研究所、北卡罗来纳州立大学、阿姆斯特丹大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的核理论家。计算是用一种被称为"有效场理论"的现代方法进行的，这种方法有效地组织了涉及强相互作用粒子的现象中基本相互作用的重要性。研究小组确定了核子轴向耦合gA的一个新的百分比水平的偏移，它控制着一个旋转中子的衰变强度。新的修正源于带电离子的发射和吸收，它们是强核力的媒介。虽然有效场理论提供了对不确定性的估计，但要提高目前的精度将需要在能源部的超级计算机上进行高级计算。研究人员还评估了对搜索右手定则的影响。他们发现，在包括新的修正之后，实验数据和理论都很一致，而且目前的不确定性仍然允许在相对较低的质量尺度上出现新的物理现象。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366833.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366833.htm

科学家借增强现实技术 模拟了相互作用粒子间量子纠缠的新方法

科学家借增强现实技术模拟了相互作用粒子间量子纠缠的新方法在2022年8月3日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇文章中，科学家们介绍了一种通过增强现实技术来模拟相互作用的粒子间的量子纠缠的新方法。SCITechDaily指出，计算分子电子的集体行为，对于材料性质的预测是相当必要的。有朝一日，此类预测或帮助科学家创造出新的药物、或具有理想品质（比如超导性）的新材料。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1325741.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1325741.htm