Su yoğunluğu neden 4 ° C'de? Buz neden yüzüyor? Makine öğrenimi simülasyon açıklamaları olabilir mi?
Neden yaklaşık 4 santigrat derece yoğunluk? Buz neden yüzüyor? Ağır su ve sıradan suyun erime noktası neden? Neden altı simetrik kar tanesi var? Lausanne Üniversitesi Federal Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar kalkıyor, bu konular için fiziksel bilgiler sunuyor. Araştırma, 2 Ocak 2019'da Ulusal Bilimler Akademisi'nin işlemlerinde yayınlandı. En çok gözlenen maddelerin temel bileşenleri elektronik ve atom çekirdekleridir. Kuantum mekaniği yasalarını takiben, davranışları bir dalga fonksiyonu ile tanımlanabilir. Bu, belirli bir zaman noktasında olasılıklarını gözlemlemekle ilgili dağınık bir buluttur.
Boke Bahçe Bilimi Popülerleştirme: Xue Dingzhang denklemlerini arayarak, su dahil herhangi bir madde modellemek ve tahmin etmek için kullanılabilir. Ama bir problem var. Elektronik ve atom çekirdeklerinin sayısındaki artışla, en hızlı süper bilgisayarları kullandıktan sonra bile, bu tür bilgi işlemi optimize ettikten sonra bile, ilgili karmaşıklığın başa çıkmak zorlaştı. Aslında, yüzlerce atom veya saniyeden fazla saniyeden fazla sistem için, yani 1/ 1000.000.000 saniye, kuantum mekanik hesaplamalar hala karşılayamaz. Bu sert kısıtlamaların üstesinden gelmek için araştırmacılar, kuantum mekaniğinden atomlar arasındaki etkileşimi öğrenmek için yapay sinir ağları (ANN) kullanırlar. Sinir ağı yapısı, birbirine bağlı birkaç düğüm katmanı olarak ifade edilebilir. Bu düğüm katmanları insan beyin nöronlarının yapısını simüle eder. Sinir ağı önce atomlar arasındaki kuantum mekanik etkileşimi öğrenir ve daha sonra pahalı kuantum mekaniği hesaplamaları yapmaya gerek kalmadan atom sisteminin enerjisini ve gücünü hızla tahmin eder. Şimdiye kadar, tüm bunlar tipik bir başarılı makine öğrenimi durumuna benziyor.
Resim: Pexels/Pexels Lisansı
Ancak, ince şeyler var. Gerçek kuantum mekaniği hesaplaması ile karşılaştırıldığında, sinir ağında artık bir hata vardır: çoğu durumda, küçük bir gürültü getirir ve bazen girdinin öğrendiklerinden çok farklı olup olmadığını tahmin eder. Yapay bir sinir ağının tuzağından nasıl kaçınılır? Araştırmacılar, atom sistemi tahmin etmek için tek başına kullanmazlar, ancak yedek model olarak kullanırlar. Özünde, sınırlı sıcaklık altında malzeme performansının hesaplanması genellikle birçok hesaplama adımı içerir. Bu sıkıcı tekrarlayan parçalar ucuz alternatif modellere emanet edilebilir. Son olarak, gerçek ve temel gerçek arasındaki fark, yani yapay sinir ağı ile kuantum mekaniği arasındaki fark, nihai tahminden açıklanabilir ve çıkarılabilir. Bu teknolojileri kullanarak, araştırmacılar, buz ve suyun yoğunluğu, normal suyun ve ağır suyun erime sıcaklığındaki fark ve farklı buz formlarının stabilitesi dahil olmak üzere kuantum mekaniğinden suyun birkaç termodinamik özelliklerini yeniden üretebilir.
Suyun ve buzun termodinamik özelliklerine yapay sinir ağlarının uygulanması, kuantum çekirdeğinin yükselişinin önemli etkisini ortaya koymaktadır. Resim: Christoph Dellago
Ek olarak, bu çalışma buz ve su hakkında bazı fiziksel bilgiler de ortaya koymuştur. En dikkat çekici keşiflerden biri, nükleer kuantum yükselmeleri, yani hidrojen gibi ışık elemanlarının, buzun iç moleküllerinin altıgen düzenlemesini destekleyen lokal parçacık parçacıkları yerine difüzyon bulutuna benzemesi ve nihayetinde simetrik olarak altı kata yol açmasıdır. kar taneleri. Essence Şimdiye kadar, tüm bunlar tipik bir başarılı makine öğrenimi durumuna benziyor. Ancak, ince şeyler var. Gerçek kuantum mekaniği hesaplamalarıyla karşılaştırıldığında, sinir ağında artık bir hata vardır: çoğu durumda, küçük bir gürültü getirir ve bazen girdinin öğrendiği her şeyden çok farklı olup olmadığını tahmin eder. Yapay sinir ağı tuzağından nasıl kaçınılır? Araştırmacılar, atom sistemi tahmin etmek için tek başına kullanmadılar, bunun yerine yedek model olarak kullandılar.
Özünde, sınırlı sıcaklık altında malzeme performansının hesaplanması genellikle birçok hesaplama adımı içerir. Bu sıkıcı tekrarlayan parçalar ucuz alternatif modellere emanet edilebilir. Son olarak, gerçek ve temel gerçek arasındaki fark, yani yapay sinir ağı ile kuantum mekaniği arasındaki fark, nihai tahminden açıklanabilir ve çıkarılabilir. Bu teknolojileri kullanarak, araştırmacılar, buz ve suyun yoğunluğu, normal suyun ve ağır suyun erime sıcaklığındaki fark ve farklı buz formlarının stabilitesi dahil olmak üzere kuantum mekaniğinden suyun birkaç termodinamik özelliklerini yeniden üretebilir. Ek olarak, bu çalışma buz ve su hakkında bazı fiziksel bilgiler de ortaya koymuştur. En çarpıcı keşiflerden biri, nükleer kuantum yükselişinin (yani, hidrojen gibi ışık elemanlarının davranışının, daha çok yerel parçacıklar yerine bir bulut gibi olması), iç moleküllerin altıgen birikimini teşvik etmek, bu da sonunda altısına yol açar. Kar taneleri. Şiddetli simetri.
Boke Garden-Science Science Araştırma/Kimden: Viyana Üniversitesi
Referans Dergi Edebiyatı: "Ulusal Bilimler Akademisi Enstitüsü", "Kimya Fiziği Dergisi"
Doi: 10.1063/1.480195
Alıntı: Arxiv: 1811.08630
Boke Bahçe Kamar Passing Kozmik Bilimin Güzelliği
