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Schrödinger方程控制的大型天文物体

  • 科学
  • 2019-08-20 11:50:59
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令人惊讶的是,Schrödinger方程 - 量子力学的基本方程 - 在研究大规模天文结构时出现。

巨大的天文物体经常被围绕它们旋转的一组较小物体包围,就像太阳周围的行星一样。

例如,超大质量黑洞由成群的恒星绕行轨道运行,恒星本身由大量的岩石,冰和其他空间碎片绕行。由于重力,这些巨大的材料形成扁平的圆盘。

这些磁盘由无数个单独的粒子组成,可以从太阳系的大小到很多光年。

材料的天体物理盘通常在其整个寿命期间不保持简单的圆形形状。相反,在数百万年的时间里,它们逐渐演变为表现出大规模的扭曲,弯曲和翘曲,如池塘上的涟漪。

究竟这些变形是如何出现和传播的长期困扰天文学家,甚至计算机模拟还没有提供明确的答案,因为这个过程既复杂又直接模型成本过高。

加州理工学院的行星科学家康斯坦丁·巴蒂金转向了一种称为扰动理论的近似方案,以形成磁盘演化的简单数学表示。天文学家经常使用的这种近似是基于数学家Joseph-Louis Lagrange和Pierre-Simon Laplace开发的方程。

在这些方程的框架内,每个特定轨道轨迹上的单个粒子和卵石在数学上被涂抹在一起。以这种方式,盘可以被建模为一系列同心线,其在彼此之间缓慢地交换轨道角动量。

作为类比,在太阳系中,人们可以想象将每个行星分成碎片并将这些碎片散布在行星围绕太阳运行的轨道上,这样太阳就被一系列重力相互作用的巨大环圈所包围。这些环的振动反映了数百万年来展开的实际行星轨道演化,使得近似非常准确。

然而,使用这种近似来模拟磁盘演变会产生意想不到的结果。

“当我们使用磁盘中的所有材料执行此操作时,我们可以越来越细致,将磁盘视为越来越多的更薄的电线,”Batygin博士说。

“最终,您可以将磁盘中的导线数量近似为无穷大,这样您就可以将它们在数学上模糊成一个连续体。当我这样做时,令人惊讶的是,薛定谔方程出现在我的计算中。“

薛定谔方程是量子力学的基础。它描述了系统在原子和亚原子尺度上的非直观行为。这些非直观行为之一是亚原子粒子实际上表现得更像波浪,而不像离散粒子 - 这种现象称为波粒二象性。

这项新工作表明,天体物理盘中的大规模经线与粒子的行为类似,并且经线在盘材料中的传播可以通过用于描述单个量子粒子来回行为的相同数学进行描述。在磁盘的内边缘和外边缘之间。

Schrödinger方程得到了很好的研究,并且发现这样一个典型的方程能够描述天体物理盘的长期演化应该对那些模拟这种大规模现象的科学家有用。

“此外,有趣的是,两个看似无关的物理学分支可以用类似的数学来管理,”Batygin博士说。

“这一发现令人惊讶,因为当观察光年数量级的距离时,薛定谔方程是一种不太可能出现的公式。”

“与亚原子物理学相关的方程通常与大规模的天文现象无关。因此,我很着迷于找到一种情况,其中通常仅用于非常小的系统的方程式也可用于描述非常大的系统。“

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