Klasyczna zagadka Einsteina polega na rozwiązaniu zestawu logicznych wskazówek prowadzących do ustalenia, kto mieszka w którym domu i posiada określone zwierzę. Badacze postanowili jednak całkowicie zmienić jej charakter. Zamiast ludzi, domów i zwierząt wykorzystali obiekty podlegające ścisłym regułom fizycznym. Każda decyzja wpływała na kolejne elementy układu, tworząc skomplikowaną sieć zależności przypominającą zachowanie atomów czy cząsteczek w rzeczywistych materiałach. Badanie pokazało, że nawet bardzo proste zasady mogą prowadzić do powstawania niezwykle złożonych struktur i nieoczekiwanych przejść pomiędzy różnymi stanami układu.
Czytaj też: Fizycy zaobserwowali świetlny stan topologiczny materii. Od dawna szukali na to dowodów
Największym zaskoczeniem okazało się odkrycie, iż nowa wersja zagadki ujawnia zjawiska przypominające przejścia fazowe znane z fizyki. Podobnie jak woda w odpowiednich warunkach gwałtownie zmienia się w lód lub parę, tak analizowany model potrafił nagle przechodzić z łatwego do rozwiązania stanu w niezwykle skomplikowany. Granica między tymi dwoma zachowaniami okazała się wyjątkowo wyraźna i podlegała ścisłym prawom matematycznym.
Zdaniem naukowców zajmujących się tematem podobne mechanizmy mogą występować w wielu układach spotykanych w przyrodzie. Dotyczy to między innymi materiałów magnetycznych, procesów zachodzących w sieciach neuronowych, a także systemów wykorzystywanych do przetwarzania informacji. Dzięki temu pozornie abstrakcyjna łamigłówka może stać się wygodnym modelem do badania problemów, których bezpośrednia analiza byłaby znacznie trudniejsza.
Uczeni stojący za publikacją zamieszczoną w Nature Communications podkreślają, że tego typu modele mają ogromne znaczenie dla rozwoju fizyki statystycznej. To właśnie ta dziedzina zajmuje się opisywaniem zachowania ogromnych zbiorów cząstek, których pojedynczych ruchów nie da się śledzić, ale których wspólne właściwości można przewidywać za pomocą matematyki. Nowa odmiana zagadki pozwala obserwować podobne procesy w znacznie prostszym środowisku, zachowując jednocześnie najważniejsze cechy rzeczywistych układów fizycznych.
Czytaj też: Największy błąd Einsteina powraca. To fundament współczesnej kosmologii, który ma poważną lukę
A co poza fizyką? Algorytmy rozwiązujące problemy optymalizacyjne, sztuczna inteligencja czy projektowanie nowych materiałów często opierają się na poszukiwaniu najlepszego rozwiązania spośród ogromnej liczby możliwych konfiguracji. Lepsze zrozumienie momentu, w którym problem gwałtownie staje się bardziej złożony, może pomóc w tworzeniu wydajniejszych metod obliczeniowych. Nieźle, jak na znaną od lat łamigłówkę.
Źródło: Nature Communications
