با وجود آنکه قوانین فیزیک، خود قوانین زیربنایی ساخت کامپیوترها بوده‌‌اند، اما اکنون کامپیوترها در حال ادا کردن دین خود به فیزیک هستند: کشف قوانین زیربنایی فیزیک امروز دیگر نه به آن شیوه‌ی سنتی که به کمک شبیه‌سازی های کامپیوتری، شکل تازه‌ای به خود گرفته است. به نظر می‌رسد آنها با در اختیار گذاشتن مدل‌های ساده‌ی واسطه‌ای کار ما را برای مطالعه و بررسی سیستم‌های واقعی و پیچیده به طرز عجیبی ساده کرده‌اند. در این میان شبیه سازی نسل جدید یا همان شبیه سازی کوانتومی نقش مهمی در فهم سیستم‌های کوانتومی داشته است. با دیپ لوک همراه باشید …
فیزیک نظری، به پیچیدگی مشهور است. ما قادر به نوشتن قوانین طبیعی به شکل ریاضی هستیم که به هیچ وجه به معنای این نیست قوانینی که با آنها سروکار داریم، ساده (خیلی ساده‌تر از روشهای علمی دیگر) هستند. متاسفانه حل معادلات قوانین طبیعت، اغلب ساده نیستند. مثلا ما یک نظریه‌ی بسیار خوب داریم که ذرات بنیادی به نام کوارک‌ها و گلوئون‌ها را توصیف می‌کند، اما هیچ‌کس نمی‌تواند محاسبه کند که این ذرات چطور در کنار هم جمع شده‌اند تا یک پروتون را بسازند. این معادلات با هیچ روش شناخته شده‌ای قابل حل نیستند. به طور مشابه، ادغام سیاهچاله می‌تواند در جملات فریب‌آمیز و ساده‌ای توصیف شود؛ ولی دشوار است بگوییم در هر مورد خاص، دقیقا چه اتفاقی می‌افتد. البته ما به طور خستگی‌ناپذیر محدودیت‌ها را به جلو هل داده و به جستجوی روشهای ریاضیاتی جدید می‌پردازیم؛ ولی در سال‌های اخیر اغلبِ این هل دادن‌ها، برآمده از کشف ریاضیات پیچیده و دشوار نیست، بلکه بیشتر از قدرت محاسبه نشات می‌گیرد.
هنگامی که اولین نرم‌افزار ریاضیاتی در دهه‌ی ۱۹۸۰ در دسترس قرار گرفت، کاری بیشتر از ذخیره‌ی اطلاعات لیست چاپ‌شده‌ی عظیمی از انتگرال‌های حل‌شده انجام نمی‌داد؛ ولی وقتی فیزیکدانان از کامپیوترهایی بهره‌مند شدند که نوک انگشتان دستشان را لمس می‌کرد، متوجه شدند دیگر هربار مجبور به حل این انتگرال‌ها نیستند، بلکه فقط رسم راه‌حل آنها کافی است. در دهه‌ی ۱۹۹۰ بسیاری از فیزیکدانان، روش «رسم فقط راه‌حل» را پیشنهاد کردند. بیشتر آنها در زمینه‌ی آنالیزهای کامپیوتری آموزش ندیده بودند و برخی از آنها نمی‌توانستند اثرات فیزیکی ناشی از برنامه‌‌نویسی را شرح دهند. اما در طول دو دهه‌ی گذشته، این نگرش جهش قابل توجهی یافت، حداقل از نسل جدید فیزیکدانانی که برنامه‌نویسی‌شان تعمیم بدیهی از مهارت ریاضیاتی آنهاست، متشکریم. بر این اساس، فیزیکدانان نظری حالا شاخه‌های زیادی دارند که «شبیه سازی‌های کامپیوتری» را از سیستم‌های جهان واقعی نشان می‌دهند، مطالعاتی که به هیچ طریق دیگری ممکن نیستتد. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری چیزهایی هستند که ما اکنون از آنها برای مطالعه‌ی شکل‌‌گیری ساختار کهکشان‌ها و اَبَرکهکشانها، محاسبه‌ی جرم ذراتی که متشکل از چند کوارک هستند، سردر آوردن از آنچه در برخورد هسته‌ی اتمی بزرگ اتفاق می‌افتد و فهم چرخه‌های خورشیدی استفاده می‌کنیم.
قدم بعدی این جهش، جدا از مدل‌های ریاضیاتی محض، این است: فیزیکدان‌های اکنون سیستم‌های آزمایشگاهی ویژه‌ای طراحی کردند که بر سیستم‌های دیگری که به دنبال فهم بهتر آنها هستیم استوارند. آنها سیستم شبیه‌سازی شده را در آزمایشگاه مشاهده می‌کنند تا درباره‌ی آنها نتیجه‌گیری و پیش‌بینی کنند. بهترین مثال در این زمینه می‌تواند حوزه‌ای پژوهشی به نام شبیه سازی کوانتومی باشد. این شبیه‌سازی‌ها، سیستم‌هایی متشکل از اشیای مرکب برهکنش‌کننده مانند ابرهای اتمی هستند. فیزیکدانان این برهمکنش‌ها را دستکاری می‌کنند، در نتیجه این سیستم، برهمکنش میان ذرات بنیادی را شبیه‌سازی می‌کند. به طور مثال در الکترودینامیک کوانتومی مدار (circuit quantum electrodynamics)، محققان از جریان‌های ابررسانایی کوچکی برای شبیه‌سازی اتم‌ها استفاده کرده و سپس به مطالعه‌ی چگونگی برهمکنش این اتم‌های مصنوعی با فوتون‌ها می‌پردازند. در مثالی دیگر، فیزیکدانان آزمایشگاه مونیخ، از یک ابرشاره‌ی با اتم‌های مافوق سرد برای پایان دادن به این بحث که آیا ذرات هیگزمانند می‌توانند در دو بعد فضایی وجود داشته باشند؟ استفاده کردند (پاسخ این سوال مثبت است).
این شبیه‌سازی‌ها تنها برای غلبه بر موانع ریاضیاتی در نظریه‌های شناخته‌شده مفید نیستند، بلکه می‌توانیم از آنها برای کشف نتایج نظریه‌های جدیدی که قبلا مطالعه نشده‌اند و هنوز ارتباطشان را نمی‌دانیم استفاده کنیم. این مسئله، به خصوص وقتی جالب توجه است که به حیطه‌ی رفتار کوانتومی خود فضا و زمان وارد می‌شود (منطقه‌ای که هنوز نظریه‌ی خوبی برای آن نداریم). مثلا اخیرا فیزیکدانان مرکز تحقیقاتی محاسبات کوانتومی دانشگاه واترلو از یک شبیه سازی کوانتومی برای مطالعه‌ی شبکه‌های اسپینی (ساختارهایی که در برخی نظریه‌ها، بنیان اصلی فضا-زمان را تشکیل می‌دهند) استفاده کردند. همچنین فیزیکدانانی از دانشگاه مونیخ، روشی برای شبیه سازی پردازش اطلاعات سیاهچاله‌ها در گازهای اتمی فوق سرد پیشنهاد نمودند.
ایده‌ی مشابهی در میدان گرانش آنالوگ دنبال می‌شود که در آنها فیزیکدان‌ها از شاره‌ها برای تقلید رفتار ذرات در میدان‌های گرانشی استفاده می‌کنند. فضا-زمان های سیاهچاله، به خاطر ادعای جف اشتاینر مبنی بر داشتن تابش هاوکینگ اندازه‌گیری شده در یک سیاهچاله‌ی آنالوگ، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. به علاوه فیزیکدانان، ذرات بنیادی فرضی را با مشاهده‌ی جانشین‌هایی به نام شبه ذرات (quasiparticles) بررسی نموده‌اند. این شبه ذرات، از دل حرکت جمعی ذرات دیگر ظهور کرده و درست شبیه ذرات بنیادی رفتار می‌کنند. فهم خواص شبه ذرات به ما اجازه می‌دهد بیشتر در مورد رفتارشان بدانیم و در نتیجه ممکن است به یافتن راه‌هایی جهت مشاهده‌ی ذرات اصلی کمک کند.
این نوع پژوهش‌ها، پرسش‌های مهمی را پدید می‌آورد؛ اول از همه، اگر بتوانیم چیزی را که اکنون باور داریم بنیادی است، توسط شبه ذرات ترکیبی شبیه‌سازی کنیم، پس شاید در حال حاضر چیزی که آن را بنیادی می‌پنداریم (یعنی فضا-زمان و ۲۵ ذره‌ی تشکیل‌دهنده‌ی مدل استاندارد فیزیک ذرات) هم از یک ساختار بنیادی تشکیل شده باشد. شبیه سازی‌های کوانتومی ما را متعجب می‌کند، بدین معنا که رفتار سیستمی که با آن شروع کرده‌ایم را توضیح می‌دهد. آیا مشاهده، اندازه‌گیری و پیش‌بینی با استفاده از یک نسخه‌ی ساده‌شده‌ی سیستم، به رسیدن به یک توضیح منجر می‌شود؟
اما برای من، جالب‌ترین نمود این توسعه چیزی است که در نهایت چگونگی فیزیک کردن ما را تغییر می‌دهد. مدل ریاضیاتی در شبیه سازی کوانتومی از اهمیت ثانوی برخوردار است. در حال حاضر ما از ریاضی برای شناسایی یک سیستم مناسب استفاده می‌کنیم، زیرا ریاضی به ما خواص چیزی را می‌گوید که به دنبالش هستیم؛ ولی موکدا صحبت درباره‌ی آن ضروری نیست. در طول زمان، دانشمندان تجربی‌کار خواهند آموخت کدام سیستم را به سیستم دیگر نگاشت کنند، همانطور که آموخته‌اند کدام سیستم را به کدام ریاضیات، نگاشت کنند. شاید روزی فرارسد که به جای انجام محاسبات، تنها از مشاهدات سیستم‌های ساده‌شده برای پیش‌بینی کردن استفاده کنیم. در حال حاضر، من مطمئنم که اکثر همکارنم با چنین چشم‌اندازی از آینده، وحشت‌زده خواهند شد. ولی در ذهن من، ساخت یک مدل ساده‌شده از یک سیستم در آزمایشگاه، مفهوم چندان متفاوتی با آنچه فیزیکدانان قرن‌ها انجام می‌داده‌اند نیست: نوشتن مدل‌های ساده‌شده‌ی سیستم‌های فیزیکی به زبان ریاضیات.
گفتگو۱ دیدگاه
عاااالی بود