Физики обнаружили странную новую теоретическую фазу водорода
Обучив машину нескольким квантовым трюкам, физики открыли странную новую фазу водорода в твердой форме. Хотя пока это чисто теоретическое открытие, оно может помочь нам лучше понять поведение материи от мельчайших масштабов до внутренней механики крупнейших планет во Вселенной. Новое исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Эта новая твердая водородная фаза, открытая международной группой исследователей, следовала представлению модели о молекулах водорода в экстремальных условиях: если использовать аналогию с едой, их форма трансформировалась из сфер, сложенных стопкой апельсинов, в нечто, более близкое к яйцам.
Водород обычно требует очень низких температур и очень высокого давления для образования твердого тела. Именно благодаря новому исследованию машинного обучения этого конкретного фазового перехода ученые наткнулись на новую молекулярную структуру.
«Мы начали с не слишком амбициозной цели уточнения теории чего-то, о чем мы знаем», — говорит физик Скотт Дженсен из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн. «К сожалению, а может быть, к счастью, это было более интересно. Было обнаружено это новое поведение. Фактически, это было доминирующее поведение при высоких температурах и давлениях, на что не было и намека в старой теории».
Значительную роль в исследованиях сыграл обновленный алгоритм машинного обучения: он смог смоделировать действия тысяч атомов, а не сотен, которыми ограничиваются многие исследования квантовых явлений.
Исследователи использовали улучшенную версию того, что известно как метод квантового Монте-Карло (КМК): по сути, он использует случайную выборку и математику вероятностей, чтобы выяснить, как большие группы атомов ведут себя в массе, группы, которые было бы слишком сложно изучать.
Затем для проверки результатов был использован второй вычислительный метод — способный лучше обрабатывать большее количество атомов, но менее точный. Поскольку результаты совпали, можно предположить, что усовершенствованный метод QMC работает так, как предполагалось.
«Оказалось, что машинное обучение многому нас научило», — говорит физик Дэвид Сеперли из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Мы видели признаки нового поведения в наших предыдущих симуляциях, но не доверяли им, потому что могли разместить только небольшое количество атомов. С нашей моделью машинного обучения мы могли в полной мере использовать самые точные методы и видеть, что происходит на самом деле».
Проще говоря, компонент машинного обучения повысил точность и объем симуляций, которые могли выполнять ученые, используя существующие данные и предыдущие симуляции, чтобы сделать будущие более точными с точки зрения их оценок.
Водород не только самый распространенный элемент во Вселенной, но и самый простой с точки зрения отдельных атомов: один протон и один электрон. Это означает, что новые открытия о водороде могут повлиять практически на все остальное в физике.
На данный момент еще слишком рано знать, что означает эта новая фаза твердого водорода, и необходимы дополнительные эксперименты и моделирование, чтобы рассмотреть ее более внимательно. Однако изучение наполненных водородом планет, таких как Юпитер и Сатурн, — лишь одна из областей, где это дополнительное понимание может быть полезным.
«Мы хотим понять все, поэтому нам следует начать с систем, которые мы можем атаковать», — говорит Сеперли. «Водород прост, поэтому стоит знать, что мы можем с ним справиться».
