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            时刻之箭的普适规律

            admin 2019-09-07 294人围观 ,发现0个评论

            注:原文标题为“The Universal Law That Aims Time’s Arrow”。对一个习以为常的现象的新研讨提醒了出人意料的分形(类)行为,这一研讨或许为咱们带来关于前期世界以及时刻箭头的头绪。

            在编译本文的进程中看到一则音讯:以色列的月球着陆器 Beresheet 在测验登陆月球外表时发作毛病未能减速而坠毁。Beresheet 上携带了非营利安排Arch Mission Foundation的货品,包含 DVD巨细的镍片,人类DNA 样本,以及数以千计的水熊虫(小于1mm)。水熊虫以在极点环境下生计的才能著称,它是已知仅有一种能在太空真空环境生计下来的动物。也便是说这些水熊虫被散播到了月球外表……holy~拍个科幻电影吧~


            将牛奶倒进咖啡,白色的漩涡和卷须很快就会消失成棕色。半小时后,饮料冷却到室温。几天后,液体即蒸腾。几个世纪后,杯子都将崩溃,数十亿年后,整个行星、太阳和太阳系将会云消雾散。在整个世界中,一切的物质和能量都从像咖啡和恒星这样的热门分散出去,终究注定(几万亿年后)在空间中均匀散布。换句话说,相同的未来等待着咖啡和世界。

            这种物质和能量的逐步分散,被称为“热化”[“thermalization”],它指向时刻之箭。但时刻之箭是不可逆的,所以热咖啡冷却下来但不会自发升温,这一现实并没有被写进操控咖啡里边分子运动的基本规律中。相反,热化是核算成果:咖啡热量散时刻之箭的普适规律播到空气中要比冰冷的空气分子将能量沉积在咖啡里的或许性大的多,就像洗一副新的扑克牌会打乱牌序,重复洗牌实际上永久不会经过花样和等级从头排序。一旦咖啡、杯子和空气到达热平衡,它们之间就不会再有能量活动,也不会发作进一步的改变。因而,世界规范上的热平衡被称为“世界的热寂”。

            可是,尽管很简略看出热化指向(温的咖啡和热寂),但这个进程是怎样开端的就不那么显着了。“假如你从远离平衡态开端,就像前期世界,时刻之箭是怎样从第一性原理开端呈现的?”德国Heidelberg大学的理论物理学家Berges说。

            在曩昔的几年里,Berges和他的一帮搭档们发现了一个令人惊奇的答案。研讨人员在由许多远离热平衡的粒子组成的各种体系中发现了操控改变初始阶段的简略的、所谓普适的规则。他们的核算标明这些体系——包含在地球上发作的最热的等离子体,最冷的气体,或许还有理论上添补世界的第一个瞬间的能量场——不管它们由久久小说下载什么构成,其开端随时刻的演化都由几个普适数字描绘。

            研讨成果标明,热化的初始阶段与后来的体现有很大的不同。特别是,远离平衡的体系体现出分形类行为,这意味着它们在不同的时空规范上看起来十分类似。它们的性质只会被所谓的标度指数所改换——研讨人员发现这些指数通常是一些简略如1/2和-1/3这种数。例如,能够依据标度指数对某一时刻的粒子速度进行从头标度,然后给出(那时刻)或早或晚任何时刻点的速度散布。各种极点开端条件下的量子体系好像都归于这种分形方法,在向规范热化改变前体现出必定时刻的普适标度。

            “我发现这项作业令人兴奋,由于它提炼了一个一致的准则,咱们可用以了解一大类远离平衡态的体系,哈佛大学量子物理学家Nicole Yunger Halpern说,他没有参加这项作业。“这些研讨供给了期望,咱们能够用简略的方法来描绘这些十分紊乱、凌乱的体系”。

            Berges被广泛以为是这一研讨的领导者,自2008年以来,他宣布了一系列开创性的论文,厘清了普适标度的物理。本年春天,(他的)合著者在《物理谈论快报》宣布了一篇论文,采纳别的的进程探讨了上升到普适标度前的“预标度”[precaling]。由海德堡大学的Thomas Gasenzer领导的一个小组也在5月份的PRL论文中研讨了预标度现象,为类分形行为的发作供给了更深化的洞悉。

            一些研讨人员现在正在试验室里探究远离平衡态的动力学,而另一些人则在研讨普适数字的来源。专家们说,普适标度也有助于解说关于量子体系怎样能够彻底热化的深层概念问题。剑桥大学的Zoran Hadzibabic说:“在各个前沿都有紊乱的开展”。他和他的团队正在研讨高温气体中钾-39原子气的普适标度律,办法是忽然翻开这些原子的彼此作用强度,然后让它们演化。

            能量级联

            当Berges开端研讨远离平衡的动力学时,他想要了解世界构成之初的极点条件,那时构成世界的粒子才刚构成。

            这些条件应该恰发作在“世界暴升”之后——许多世界学家以为空间的爆炸性胀大是世界大爆炸的开端。暴升会把任何现存的粒子都炸飞,只留下空间本身的均匀能量:一个完美润滑、稠密、振动的能量场,即所谓的“凝集体”[“condensate”]。Berges在2008年与Alexander Rothkopf和Jonas Schmidt协作建立了这种凝集体的模型,他们发现其演化的开端阶段应该体现出分形类的普适标度。他说:“你会发现,当这种大的凝集体衰变成咱们今日所调查到的粒子时,这个进程能够用几个数来很好地描绘。”

            要了解这种普适标度现象是什么姿态的,考虑这一发现的一个明显的前史前驱。1941年,俄罗斯数学家Andrey Kolmogorov描绘了能量经过湍流流体“级联”[“cascades”]的方法。例如,当你拌和咖啡时,你在一个大的空间规范上发明了一个涡漩。Kolmogorov意识到这个涡漩会自发地发作更小的涡漩,而这些涡漩又会发作更小的涡漩。当你拌和咖啡时,你注入体系的能量沿着空间规范级联到越来越小的涡漩中,能量的传输速度能够用一个普适的指数衰减因子-5/3来描绘,这是Kolmogorov从流体量纲中推导出来的。

            即便它是湍流研讨的柱石,Kolmogorov的“-5/3律”看起来仍是很奥秘。但现在,物理学家们在远离平衡的动力学中发现了本质上相同的级联、分形类的普适标度现象。依据Berges的观念,能量级联或许呈现在这两种状况下,由于它们是跨规范分配能量的最有用的方法。咱们天性地知道这一点。“假如你在咖啡里放糖,就拌和一下”——而不是摇晃它。Berges说:“你知道时刻之箭的普适规律这是最有用的从头分配能量的方法。”

            在远离平衡态体系的普适标度现象和湍流流体的分形涡旋之间有一个要害的差异:在流体中,Kolmogorov规律描绘了跨过空间维度的能量级联。在这项新的研讨中,研讨人员发现,远离平衡的体系在时刻和空间上都阅历着分形类的普适标度(律)。

            以世界的诞生为例。在世界暴升之后,假定的振动、充溢空间的你凝集领会敏捷改变成一个全都以相同的特征速度运动的量子粒子的高密度场。Berges和他的搭档估测,当这些远离平衡态的粒子开端世界的热演化时,它们就呈现出由普适标度指数操控的分形标度。

            依据研讨团队的核算和核算机模仿,应该有两个方向相反的级联,而不是像湍流中那样只要一个。体系中的大多数粒子会从一个时刻减速到下一个时刻,以一种特征比率级联到越来越慢的速度——在这种状况下,标度指数约为-3/2。终究它们会停止,构成另一种凝集体(这一你个详细不会振动或转换成粒子;相反它会逐步衰变)。与此一起,脱离慢速粒子的能量大部分会级联到少量粒子,这些粒子以指数1/2分配的比率取得速度。本质上,这些粒子开端运动得十分快。

            这些快的粒子随后会衰变为夸克、电子和今日存在的其他基本粒子。然后这些粒子将阅历规范的热化,彼此散射,并散布它们的能量。这个进程在今日的世界中仍在继续,并将继续数万亿年。

            发作简略性

            关于前期世界的主意并不简略验证。但在2012年前后,研讨人员意识到,一种远离平衡态的状况在试验中也能够呈现——即在纽约的相对论重离子对撞机[Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC]和欧洲的大型强子对撞机[LHC]中,重原子核以挨近光速被撞在一同。

            这些核磕碰发作了物质和能量的极点装备,然后开端向平衡态方向弛豫。你或许以为磕碰会发作凌乱的紊乱。可是当Berges和他的搭档从理论上剖析这些磕碰时,他们发现了结构和简略性。Berges说,其动力学“能够用几个数字来编码”。

            这一方法在继续。大约在2015年,在与试验室里勘探超冷原子气的试验家们攀谈后,Berges、Gasenzer和其他理论家核算出,这些体系在敏捷冷却到极度远离平衡态后,也应该体现出普适标度律。

            上一年秋天,两个团队——一个由海德堡的Markus Oberthalerof领导,另一个由维也纳量子科学与技能中心的Jrg Schmiedmayer领导——一起在《天然》杂志上报道,他们经过约100000个原子的原子气在时空中各种特点的改变,调查到了分形类的普适标度(律)。Berges是第一个在这样的体系中猜测这种现象的人之一,他说:“再一次,简略性发作了。你能够看到,动力学能够用几个标度指数和普适标度函数来描绘。其间一些和前期世界中粒子的猜测是相同的。这便是普适性”。

            研讨人员现在以为,普适标度现象发作在超冷原子的纳开[nanokelvin]规范、核磕碰的10万亿开规范和时刻之箭的普适规律前期世界的1万万亿开尔文规范。Berges说:“这便是普适性的含义,你能够期待在不同的能量和长度规范上看到这些现象”。

            尽管前期世界的状况或许是最令人感兴趣的,但正是高度受控的、孤立的试验室体系才能使科学家们能够梳理出操控改变初始阶段的遍及规则。“咱们知道盒子里的一切东西”,好像Hadzibabic所说,“正是这种与环境的阻隔,让你能够以其朴实的方法研讨这种现象”。

            一个主要任务是找出体系的标度指数来自何处。在某些状况下,指数能够追溯到体系的空间维数,及其对称性——也便是说,坚持其不变下一切的改换方法(就像一个正方形旋转90度坚持不变)。

            这些见地有助于处理跟着体系热化,曩昔信息会发作什么改变的悖论。量子力学要求,跟着粒子的演化,关于它们曩昔的信息永久不会丢掉。但是,热化好像与此对立:当两杯无人看管的咖啡都在室温下时,你怎样知道哪一杯一开端更热呢?

            看来,当一个体系开端演化,要害细节就像它的对称性,被保存下来并编码在决议其分形演化的标度指数里,而其他细节,如粒子的初始位型或它们之间的彼此作用,凌乱散布在粒子间,与其行为无关。

            这个紊乱的进程确实发作得十分早。在他们今春的论文中,Berges,、Gasenzer和他们的协作者们初次独登时描绘了“预标度”,这是他们的论文为核磕碰和超冷原子各自预言的普适标度之前的一段时刻。预标度标明,当一个体系从初始远离平衡态条件开端演化时,标度指数还不能完美地描绘它。该体系保存了一些原有结构——初始位型的剩余。但跟着预标度的开展,体系在时空上呈现出一种更为遍及的方法,本质上含糊了与本身曩昔无关的信息。假如这一观念被未来的试验证明,预标度就或许是时刻之箭搭在弓上的地点。

            编译本文的进程中参阅了如下文献:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.170404

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