Fizicienii au descoperit o nouă fază teoretică a hidrogenului

Folosind învățarea automată și câteva trucuri cuantice, fizicienii au descoperit o nouă fază teoretică a hidrogenului în formă solidă. Descoperirea ne-ar putea ajuta să înțelegem mai bine comportamentul materiei de la cele mai mici scări până la mecanica internă a celor mai mari planete din Univers.

Această nouă fază teoretică a hidrogenului solid, descoperită de o echipă internațională de cercetători, a urmat prezentarea modelului moleculelor de hidrogen în condiții extreme: pentru a folosi o analogie alimentară, forma lor s-a transformat din sfere aranjate ca un morman de portocale în ceva ce seamănă mai mult cu ouăle.

Hidrogenul necesită de obicei temperaturi foarte scăzute și presiuni foarte mari pentru a forma un solid. Prin intermediul unui nou studiu de învățare automată a acestei schimbări de fază, oamenii de știință au descoperit noul aranjament molecular.

Cum s-a ajuns la această nouă fază teoretică a hidrogenului?

„Am început cu obiectivul nu prea ambițios de a perfecționa teoria a ceva ce știm deja”, spune fizicianul Scott Jensen, de la University of Illinois Urbana-Champaign (SUA).

„Din păcate, sau poate din fericire, a fost mai interesant decât atât. A apărut acest nou comportament. De fapt, a fost comportamentul dominant la temperaturi și presiuni ridicate, un lucru despre care nu exista nicio urmă în teoria mai veche”, a spus Jensen.

Învățarea automată

Un algoritm de învățare automată actualizat a avut un rol semnificativ în cercetare: a fost capabil să modeleze acțiunile a mii de atomi, mai degrabă decât sutele la care sunt limitate atât de multe studii ale fenomenelor cuantice.

Cercetătorii au folosit o versiune îmbunătățită a ceea ce este cunoscut sub numele de tehnica Quantum Monte Carlo (QMC): în esență, utilizează eșantionarea aleatorie și matematica probabilității pentru a afla cum se comportă în masă grupuri mari de atomi, grupuri care ar fi prea greu de studiat într-un experiment propriu-zis, scrie Science Alert.

A doua metodă de calcul (una mai capabilă să gestioneze mai mulți atomi, dar fără acuratețe) a fost apoi folosită pentru a verifica rezultatele. Faptul că constatările se potriveau sugerează că tehnica QMC îmbunătățită funcționează așa cum s-a dorit.

„Învățarea automată s-a dovedit a ne învăța foarte multe. Văzusem semne de comportament nou în simulările noastre anterioare, dar nu aveam încredere în ele, deoarece puteam studia doar un număr mic de atomi”, spune fizicianul David Ceperley, de la University of Illinois Urbana-Champaign.

„Cu modelul nostru de învățare automată, am putut profita din plin de cele mai precise metode și am putut vedea ce se întâmplă cu adevărat”, a continuat Ceperley.

Mai simplu spus, componenta de învățare automată a îmbunătățit acuratețea și domeniul de aplicare a simulărilor pe care oamenii de știință le pot rula, folosind datele existente și simulările anterioare pentru a le face pe cele viitoare mai precise în ceea ce privește estimările.

Cel mai abundent element din Univers

Hidrogenul nu este doar cel mai abundent element din Univers, dar este și cel mai simplu în ceea ce privește atomii săi individuali: un proton și un electron. Asta înseamnă că noi descoperiri despre hidrogen pot afecta aproape orice altceva în fizică.

Deocamdată, este prea devreme pentru a ști ce înseamnă această nouă fază teoretică a hidrogenului solid și sunt necesare mai multe experimente și simulări pentru a o analiza mai atent. Cu toate acestea, studiul planetelor pline cu hidrogen precum Jupiter și Saturn este doar unul dintre domeniile în care pot fi utile aceste cunoștințe suplimentare.

„Vrem să înțelegem totul, dar trebuie să începem cu sisteme mai mici. Hidrogenul este simplu, așa că este un bun punct de plecare”, spune Ceperley.

Cercetarea a fost publicată în Physical Review Letters.

Vă recomandăm să citiți și:

Cum știm ce vârstă au stelele cu adevărat?

Fuziunea nucleară este cheia supraviețuirii Pământului, susține Bill Nye

Unde seismice care călătoresc prin nucleul marțian au fost detectate în premieră

Ar putea Inteligența Artificială să egaleze vreodată inteligența umană?