Risolvere problemi di fisica complessi alla velocità della luce

Risolvere problemi di fisica complessi comporta una quantità di elaborazioni enorme, al punto che potrebbero volerci 20 anni per completarli con un potente computer desktop. Eppure, ora, possono essere eseguiti in un’ora su un normale laptop. Il fisico Andreas Ekström della Chalmers University of Technology, insieme a colleghi di ricerca internazionali, ha progettato un nuovo metodo per calcolare le proprietà dei nuclei atomici in modo incredibilmente rapido.

Il nuovo approccio si basa su un concetto chiamato emulazione, in cui un calcolo approssimativo sostituisce un calcolo completo e più complesso. Sebbene i ricercatori stiano prendendo una scorciatoia, la soluzione ottenuta è quasi esattamente la stessa. Un sistema che ricorda gli algoritmi dell’apprendimento automatico ma, in realtà, i ricercatori hanno progettato una metodologia completamente nuova che apre ancora più possibilità nella ricerca fondamentale in settori come la fisica nucleare.

“Ora che possiamo emulare i nuclei atomici utilizzando questo metodo, abbiamo uno strumento completamente nuovo per costruire e analizzare le descrizioni teoriche delle forze tra protoni e neutroni all’interno del nucleo atomico“, spiega il responsabile della ricerca, Andreas Ekström, Professore associato presso il Dipartimento di Fisica a Chalmers.

Risolvere problemi di fisica complessi alla velocità della luce è fondamentale per capire la nostra esistenza

L’argomento può sembrare di nicchia, ma risolvere problemi di fisica complessi, in realtà, è fondamentale per comprendere la nostra esistenza, la stabilità e l’origine della materia visibile. La maggior parte della massa atomica risiede al centro dell’atomo, in una regione densa chiamata nucleo atomico. Le particelle costituenti del nucleo, i protoni e i neutroni, sono tenuti insieme da qualcosa chiamato forza forte. 

Sebbene questa forza sia così centrale per la nostra esistenza, nessuno sa esattamente come funzioni. Per aumentare la nostra conoscenza e svelare le proprietà fondamentali della materia visibile, i ricercatori devono essere in grado di modellare le proprietà dei nuclei atomici con grande precisione.

La ricerca di base su cui stanno lavorando Andreas Ekström e i suoi colleghi getta nuova luce su argomenti che vanno dalle stelle di neutroni e le loro proprietà, alla struttura più interna e al decadimento dei nuclei. La ricerca di base in fisica nucleare fornisce anche input essenziali per l’astrofisica, la fisica atomica e la fisica delle particelle.

Aprire le porte a possibilità completamente nuove

“Sono incredibilmente entusiasta di essere in grado di eseguire calcoli con tale precisione ed efficienza. Rispetto ai nostri metodi precedenti, sembra di risolvere problemi di fisica complessi alla velocità della luce”.

“Nel nostro lavoro in corso qui a Chalmers, speriamo di migliorare ulteriormente il metodo di emulazione ed eseguire analisi statistiche avanzate dei nostri modelli di meccanica quantistica. Con questo metodo di emulazione sembra che possiamo ottenere risultati precedentemente considerati impossibili. Questo apre sicuramente le porte a possibilità completamente nuove “, afferma Ekström.

Maggiori informazioni sulla scorciatoia matematica

Il nuovo metodo di emulazione si basa su qualcosa chiamato eigenvector continuation (EVC). Consente l’emulazione di molte proprietà meccaniche quantistiche dei nuclei atomici con velocità e precisione incredibili. 

Invece di risolvere più e più volte direttamente il lungo e complesso problema dei molti corpi, i ricercatori hanno creato una scorciatoia matematica, utilizzando una trasformazione in uno speciale sottospazio. Ciò rende possibile utilizzare alcune soluzioni esatte per poi ottenere soluzioni approssimative molto più velocemente.

Se l’emulatore funziona bene, genera soluzioni che sono quasi esattamente – circa il 99 percento – simili alle soluzioni del problema originale. Per molti versi, il metodo si basa sugli stessi principi utilizzati nell’apprendimento automatico, ma non è una rete neurale o un processo gaussiano: un metodo completamente nuovo è alla base di esso. 

Il metodo EVC per l’emulazione non è limitato ai nuclei atomici e i ricercatori stanno attualmente esaminando diversi tipi di ulteriori applicazioni.

Ulteriori informazioni: S. König et al, Eigenvector continuation as an efficient and accurate emulator for uncertainty quantification, Physics Letters B (2020). DOI: 10.1016 / j.physletb.2020.135814