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薛定谔方程描述天文结构的演变

发布时间:2018-05-14

空间中的薛定谔:在Batygin(2018),MNRAS 475,4中介绍的一位艺术家对研究的印象。使用薛定谔方程 - 量子力学的基石可以理解通过天体物理光盘传播的波。信用:加州理工学院的James Tuttle Keane

量子力学是控制组成我们宇宙的微小粒子偶尔奇怪行为的物理学分支。描述量子世界的方程通常局限于亚原子领域 - 在较小尺度上相关的数学与较大尺度无关,反之亦然。然而,加州理工学院一位研究人员发现的一个令人惊讶的新发现表明,薛定谔方程 - 量子力学的基本方程 - 在描述某些天文结构的长期演化方面非常有用。

Konstantin Batygin(MS '10,PhD'12),一位加州理工学院行星科学助理教授和Van Nuys Page Scholar完成的这项工作在3月5日出版的皇家天文学会月刊中发表。

大量的天文物体经常被围绕它们围绕的小组物体环绕,就像太阳周围的行星一样。例如,超大质量黑洞是由群星组成的轨道运行的,它们本身就是由大量的岩石,冰块和其他空间碎片围绕着的。由于重力的作用,这些巨大的材料形成了扁平的圆盘。这些由无数个别颗粒组成的粒子,可以从太阳系的大小到许多光年的范围。

材料的天体物理磁盘通常不会在整个使用期限内保留简单的圆形。相反,数百万年以来,这些磁盘缓慢演变,出现大规模扭曲,弯曲和翘曲,像池塘上的涟漪。究竟这些扭曲是如何产生和传播的,天文学家长期以来一直困惑不解,甚至计算机模拟也没有提供明确的答案,因为这个过程既复杂又昂贵,无法直接模拟。

在教授加州理工学院关于行星物理学的课程时,Batygin(提议存在Planet Nine的理论家)转向一种称为微扰理论的近似方案,以形成一个简单的磁盘演化数学表示。天文学家经常使用的这种近似基于18世纪数学家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抹在一起。通过这种方式,可以将磁盘建模为一系列同心线,这些线同时缓慢交换轨道角动量。

作为比喻,在我们自己的太阳系中,人们可以想象将每个行星分解成碎片并将这些碎片散布在行星围绕太阳的轨道上,使得太阳被一系列重力相互作用的大环包围。这些环的振动反映了数百万年来展现的实际行星轨道演变,使得近似相当准确。

但是,使用这种近似来模拟磁盘演变,出现了意想不到的结果。

Batygin说:“当我们用磁盘中的所有材料做这件事时,我们可以得到越来越细致的体现,代表磁盘越来越多的越来越细的电线,”Batygin说。 “最终,您可以近似将磁盘中的导线数量设为无限大,这可以让您将它们数学模糊在一起,形成一个连续统一体。当我这样做时,令人吃惊的是,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:它描述了原子和亚原子尺度下系统的非直观行为。其中一种非直观行为是亚原子粒子实际上比离散粒子更像波浪 - 这种现象称为波粒二象性。 Batygin的研究表明,天体物理盘中的大规模经线的行为与粒子的行为类似,并且盘片材料中经线的传播可以用与描述单个量子粒子的行为的相同数学来描述,如果它在来回之间来回跳动磁盘的内部和外部边缘。

薛定谔方程得到了很好的研究,发现这样的典型方程能够描述天体物理磁盘的长期演变,对于模拟这种大规模现象的科学家来说应该是有用的。此外,Batygin补充道,有趣的是,两个看似无关的物理学分支 - 那些代表自然界中最大和最小尺度的分支 - 可以用类似的数学来管理。

Batygin说:“这一发现令人惊讶,因为薛定谔方程式在考虑光年数的距离时不太可能出现。 “与亚原子物理学相关的方程通常与大量的天文现象无关。因此,我着迷于发现一种通常只用于非常小的系统的方程式也可用于描述非常大的系统。“

“基本上,薛定谔方程支配波浪式扰动的演变。”巴蒂金说。 “从某种意义上来说,代表天体物理盘片的弯曲和不平衡的波浪与振动弦线上的波浪并没有太大的不同,它们本身与箱子中的量子粒子的运动没有太大差别。回想起来,这似乎是一个明显的联系,但是开始揭示这种互惠背后的数学支柱是令人兴奋的。“

出版物:Konstantin Batygin,“自引力圆盘的薛定谔演变”,MNRAS,2018年; DOI:10.1093 / mnras / sty162

来源:Lori Dajose,加州理工