ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาล พบได้ทุกหนทุกแห่ง

ตั้งแต่ฝุ่นที่ปกคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่รอบนอกไปจนถึงแกนกลางของดาวฤกษ์ ไปจนถึงสสารต่างๆ บนโลกนี้ นี่อาจเป็นเหตุผลเพียงพอที่จะศึกษาไฮโดรเจน แต่อะตอมแต่ละตัวของมันก็ยังเป็นธาตุที่ง่ายที่สุดในบรรดาธาตุที่มีโปรตอนและอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว สำหรับ David Ceperley ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัย Illinois Urbana-Champaign สิ่งนี้ทำให้ไฮโดรเจนเป็นจุดเริ่มต้นตามธรรมชาติสำหรับการกำหนดและทดสอบทฤษฎีของสสาร

• บทความอื่น ๆ : sassycheryls.com

Ceperley ซึ่งเป็นสมาชิกของ Illinois Quantum Information Science and Technology Center ใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาว่าอะตอมของไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากันอย่างไรและรวมตัวกันเพื่อสร้างเฟสต่างๆ ของสสาร เช่น ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ อย่างไรก็ตาม ความเข้าใจที่แท้จริงของปรากฏการณ์เหล่านี้ต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัมและการจำลองเชิงกลควอนตัมมีค่าใช้จ่ายสูง

เพื่อลดความซับซ้อนของงาน Ceperley และผู้ร่วมงานของเขาได้พัฒนาเทคนิคการเรียนรู้ด้วยเครื่องที่ช่วยให้สามารถจำลองเชิงกลควอนตัมด้วยจำนวนอะตอมที่ไม่เคยมีมาก่อน พวกเขารายงานในจดหมายทบทวนทางกายภาพว่าวิธีการของพวกเขาพบไฮโดรเจนของแข็งความดันสูงชนิดใหม่ที่พลาดทฤษฎีและการทดลองในอดีต

Ceperley กล่าวว่า “แมชชีนเลิร์นนิงสอนเราได้มาก “เราได้เห็นสัญญาณของพฤติกรรมใหม่ในการจำลองครั้งก่อนๆ ของเรา แต่เราไม่ไว้ใจมันเพราะเราสามารถรองรับอะตอมจำนวนน้อยได้ ด้วยโมเดลแมชชีนเลิร์นนิงของเรา เราสามารถใช้ประโยชน์จากวิธีการที่แม่นยำที่สุดได้อย่างเต็มที่ และดูว่ามีอะไร ต่อไปจริงๆ”

อะตอมของไฮโดรเจนก่อตัวเป็นระบบกลไกควอนตัม แต่การจับภาพพฤติกรรมควอนตัมทั้งหมดนั้นทำได้ยากมากแม้แต่ในคอมพิวเตอร์ เทคนิคล้ำสมัยอย่างควอนตัมมอนติคาร์โล (QMC) สามารถจำลองอะตอมได้หลายร้อยอะตอม ในขณะที่การทำความเข้าใจพฤติกรรมเฟสขนาดใหญ่จำเป็นต้องจำลองอะตอมหลายพันอะตอมในระยะเวลานาน

เพื่อให้ QMC มีความหลากหลายมากขึ้น อดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา 2 คน คือ Hongwei Niu และ Yubo Yang ได้พัฒนาโมเดลแมชชีนเลิร์นนิงที่ได้รับการฝึกฝนด้วยการจำลอง QMC ที่สามารถรองรับอะตอมได้มากกว่า QMC เพียงอย่างเดียว จากนั้นพวกเขาใช้แบบจำลองกับนักวิจัยหลังปริญญาเอก Scott Jensen เพื่อศึกษาว่าเฟสของแข็งของไฮโดรเจนที่ก่อตัวขึ้นที่ความดันสูงมากจะหลอมละลายได้อย่างไร

พวกเขาทั้งสามกำลังสำรวจอุณหภูมิและความดันที่แตกต่างกันเพื่อสร้างภาพที่สมบูรณ์ เมื่อพวกเขาสังเกตเห็นสิ่งผิดปกติในเฟสของแข็ง ในขณะที่โมเลกุลในไฮโดรเจนที่เป็นของแข็งปกติจะมีลักษณะใกล้เคียงกับทรงกลมและสร้างรูปแบบที่เรียกว่า hexagonal close-packed โดย Ceperley เปรียบเทียบกับผลส้มที่วางซ้อนกัน นักวิจัยได้สังเกตระยะที่โมเลกุลกลายเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า Ceperley อธิบายว่ามีลักษณะเหมือนไข่

“เราเริ่มต้นด้วยเป้าหมายที่ไม่ทะเยอทะยานมากเกินไปในการปรับปรุงทฤษฎีของบางสิ่งที่เรารู้” Jensen เล่า “โชคไม่ดี หรือบางทีอาจโชคดี ที่มันน่าสนใจกว่านั้น มีพฤติกรรมใหม่นี้ปรากฏขึ้น อันที่จริง มันเป็นพฤติกรรมเด่นที่อุณหภูมิและความกดดันสูง ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่มีคำใบ้ในทฤษฎีเก่า”

ในการตรวจสอบผลลัพธ์ นักวิจัยได้ฝึกโมเดลแมชชีนเลิร์นนิงด้วยข้อมูลจากทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งมีความแม่นยำน้อยกว่า QMC แต่สามารถรองรับอะตอมได้มากขึ้น พวกเขาพบว่าโมเดลแมชชีนเลิร์นนิง แบบง่าย สร้างผลลัพธ์ของทฤษฎีมาตรฐานได้อย่างสมบูรณ์แบบ นักวิจัยสรุปได้ว่า การจำลอง QMC ที่ได้รับความช่วยเหลือจาก การเรียนรู้ด้วยเครื่องขนาดใหญ่ สามารถอธิบายถึงผลกระทบและคาดการณ์ได้ว่าเทคนิคมาตรฐานไม่สามารถทำได้

งานนี้ได้เริ่มการสนทนาระหว่างผู้ทำงานร่วมกันของ Ceperley และนักทดลองบางคน การวัดความดันสูงของไฮโดรเจนทำได้ยาก ดังนั้นผลการทดลองจึงมีจำกัด การคาดการณ์ใหม่ได้สร้างแรงบันดาลใจให้บางกลุ่มกลับมาทบทวนปัญหาและสำรวจพฤติกรรมของไฮโดรเจนอย่างรอบคอบมากขึ้นภายใต้สภาวะที่รุนแรง

Ceperley ตั้งข้อสังเกตว่าการเข้าใจไฮโดรเจนภายใต้อุณหภูมิและความกดดันสูงจะช่วยเพิ่มความเข้าใจของเราเกี่ยวกับดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ดาวเคราะห์ก๊าซส่วนใหญ่ประกอบด้วยไฮโดรเจน Jensen เสริมว่า “ความเรียบง่าย” ของไฮโดรเจนทำให้สารนี้มีความสำคัญต่อการศึกษา “เราต้องการเข้าใจทุกอย่าง ดังนั้นเราควรเริ่มต้นด้วยระบบที่เราสามารถโจมตีได้” เขากล่าว “ไฮโดรเจนเป็นเรื่องง่าย ดังนั้นจึงควรรู้ว่าเราสามารถจัดการกับมันได้”