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大量空间结构与量子力学数学有着惊人的联系。天体物理|方程|薛定谔|圆盘---

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】大量的恒星或碎片可以在与亚原子粒子相同的规则下运行，这是基于薛定谔方程的变化，物理学家们用它来模拟量子力学系统。一项新的研究报告称，用这个方程来观察空间结构可以为星系的演化提供新的见解，同时也揭示了早期太阳系的机制和环绕遥远行星的环的作用的线索。加州理工学院的研究员康斯坦丁·巴特金(Konstantin Batygin)是这项新研究的作者，他在研究天体物理磁盘时，没有想到会发现这个特殊的方程式。Batygin希望常规的波动方程能出现，就像弦的波或者类似的东西。相反我得到了这个方程，它是量子力学的基石

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新的研究将宇宙中大量物质的扭曲与薛定谔方程联系起来，薛定谔方程描述了原子和亚原子物体的量子力学行为。图片版权：James Tuttle Keane/California Institute of Technology

利用薛定谔方程，物理学家可以用波和粒子来解释原子和亚原子尺度上的系统之间的相互作用——量子力学中的一个关键概念，描述了这些系统有时不直观的行为。事实证明天体物理圆盘的扭曲也可以像粒子一样。回顾过去，当我看现在的问题的时候,我惊讶的不只是猜测，共同与的加州理工学院的研究员Mike Brown2016年的一项研究发现可能未被发现的“行星九”在我们太阳系外的黑暗深处。Batygin在教授一门课的时候遇到了这种联系。他试图解释波是如何穿过广泛的圆盘的，这些圆盘是空间结构的主要组成部分——例如这些圆盘是由星系中心超大质量黑洞周围的恒星组成的，并由新生恒星系统中的尘埃和碎片构成。

这些磁盘弯曲和弯曲，以一种复杂的方式，当前的建模不能处理所有的时间。科学家们可以在很短的时间内计算出他们的行动，比如在几个轨道上发生的事情，以及他们将如何在整个一生中分散，而不是如何以及为什么他们会在几十万年的顺序上发生变化。事情可能会发生，也不知道为什么——这是一个复杂的系统，所以只会看到一些东西展开，看到一些动态的进化过程，除非有这种异常复杂的物理直觉，否则就是不明白模拟到底发生了什么。为了跟踪一个圆盘的发展，Batygin借用了1770年代的一个小技巧：计算数学家约瑟夫-路易斯拉格朗日和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯的方法，将太阳系模拟成一系列沿着行星轨道运行的巨大循环。虽然这个模型对围绕太阳的几条电路的短时间尺度没有帮助，但它可以准确地描述轨道之间的相互作用。

Batygin没有对单个行星的轨道进行模拟，而是使用了一系列更薄更薄的圆环来代表不同的天体物理圆盘，比如一层洋葱，每一层都与该区域内轨道天体的质量有关。环的引力相互作用可以模拟圆盘的变形和变形。当系统变得太复杂，无法用手或计算机来计算时，他又增加了更多的环，使用了一个数学捷径来转换到描述无限个无限小的环。这只是一个广泛的数学结果，用于物理学的左右，但是不知何故，没有人会用这种方式来模拟一个天体物理圆盘。他真正值得注意的是，从来没有人把(戒指)模糊到一个连续体中，现在回想起来似乎很明显，我也不知道为什么我没有早点想到它。

当Batygin进行这些计算时，他发现这个新兴的方程式出奇地熟悉。当然这两者是有关联的，在量子力学中将粒子视为波。回想起来应该得到像薛定谔方程这样的东西，这几乎是一种直觉，这个方程式出人意料地突然出现了，比如在对海浪的描述中，以及光线在某些非线性介质中移动的方式。Batygin说：我的研究表明天体物理磁盘的长期行为，即它们弯曲和弯曲的方式，加入了这组经典语境，在本质上可以理解为量子框架。新的研究结果在这两种情况下提出了一个有趣的类比：波在天体物理磁盘上的传播，从内部和外部边缘反弹，相当于一个量子粒子在两堵墙之间来回反弹。

发现这种等效性有一个有趣的结果：Batygin能够借用研究人员所做的一些工作，这些研究人员已经广泛地研究和研究了这个量子态，然后在这个新的背景下解释这个等式，以理解磁盘是如何响应外部的拉和扰动的。物理学家对薛定谔方程有很多经验，耶鲁大学的天体物理学家格雷格·劳克林(Greg Laughlin)说：很多非常深刻的想法已经开始理解它的影响，所以现在整个大厦可以应用到磁盘的进化上。对于像我这样的人来说，虽然他们确实有一种更好的感觉，虽然并不完美，但这也给了我们以另一种方式去探索量子系统的机会。我确实认为这会引起很多人的关注和兴趣，可能会引起恐慌。最终我认为这将是一个非常有趣的发展。

Batygin期待应用这个等式来理解天体物理磁盘的许多不同方面。Batygin说：我在这篇论文中提出的是一个框架，我用它挑战了一个特别的问题，那就是磁盘的刚性问题——在外部扰动下，磁盘在多大程度上保持了引力的刚性，我现在正在研究的还有很多其他的应用。一个例子是最终形成我们太阳系的碎片的演化。另一个是围绕系外行星的环的动力学。第三个是围绕在银河系中心黑洞周围的恒星盘，它本身是高度弯曲的。劳林指出，这项研究对于提高研究人员对新生恒星系统的认识尤其有帮助，因为他们很难从远处观察，而且目前研究人员无法从头到尾模拟他们的发展。

康斯坦丁所建立的数学框架是一个很好的例子，它可以帮助我们理解成千上万个轨道的物体，如行星形成的圆盘。密歇根大学(University of Michigan)的天体物理学家弗雷德·亚当斯(Fred Adams)没有参与这项研究，这项新研究对大型重力效应抵消的系统最有用。对于具有更复杂的引力影响的系统，比如具有非常独特旋臂的星系，需要一些其他的建模策略。但对于这类问题，它是天体物理圆盘中近似波的有趣变化。亚当斯说：任何领域的研究，包括环绕恒星的磁盘，都能从开发和使用新工具中获益。这篇论文代表了一种新的分析工具的发展，或者是旧工具的一个新的转折，这取决于你如何看待它。不管怎样这是另一个更大的谜团。

框架会让研究人员了解结构天文学家看到夜空中以一种新的方式:在这些磁盘改变更长时间尺度比人类可以观察到这个方程可以应用于计算出系统需要我们今天所看到的点，以及它如何在未来可能会改变。这些都是基于数学的，通常描述的是快速而短暂的互动。在支配亚原子世界行为的数学和支配行为的数学之间存在着一种有趣的相互作用，而这些天文现象的长期演化则是在更长的时间尺度上展开的，我认为这是一个非凡而有趣的结果。这项新研究于3月5日在《皇家天文学会月刊》上发表。

知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Sarah Lewin
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：space
编译：中子星
审校：博科园
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