ITMO科学家利用捕获离子模拟星系动力学

俄罗斯圣彼得堡国立信息技术、机械与光学大学（ITMO大学）的专家们开创了一种新颖的方法，能够高精度地模拟恒星相对于银河系中心运动的轨迹，并预测银河系未来可能发生的演变。该方法的核心在于利用实验室特制的离子阱中捕获的原子离子，从而实现了从纯粹的数学计算向基于相似性原理的实验性天体物理过程研究的转变。

ITMO大学纳米结构物理科学教育中心的研究员谢苗·鲁多伊（Semyon Rudoy）解释说，这种技术使得科学家们能够将复杂的宇宙系统“置于掌中”进行研究。通过将离子阱中的带电粒子用作恒星的模拟物，研究人员不仅可以观察天体物理现象，甚至可以在实验中对其施加影响。星系，如同其他宏大的宇宙结构，本质上是高度复杂的动力学系统。在这些系统中，初始条件的微小偏差都可能导致难以预料的长期后果，这极大地限制了传统计算模型的预测精度。

为了对漫长的时间跨度进行准确预测，天文学家传统上依赖于简化的数学模型，例如米歇尔·赫农（Michel Hénon）和卡尔·海尔斯（Carl Hales）于1964年提出的赫农-海尔斯势（Hénon-Heiles potential）。ITMO大学的这项研究，获得了俄罗斯科学基金会的支持，成功证明了在四极离子阱中原子离子的运动轨迹，与星系势场中恒星的轨道行为表现出惊人的相似性。物理学家们发现，经典的赫农-海尔斯天体物理势，完全可以在原子离子系统中得以复现。

为了在离子阱中构建出所需的精确电场配置，研究人员使用了铟锡氧化物（ITO）电极，这些电极被沉积在玻璃基底之上。该中心的高级研究员德米特里·谢尔比宁（Dmitry Sherbinin）强调了一个重要观点：尽管宏观和微观系统在本质上存在差异，但混沌系统往往遵循着普适的规律。这一发现有力地支持了这样一种观点，即不同混沌系统之间存在着能够相互复制的通用调控机制。

在相关领域，俄罗斯科学家们在离子系统操控方面已展现出深厚功力。例如，俄罗斯科学院物理研究所（FIAN）的科学家们在2025年12月宣布，他们在70量子比特的计算机上实现了单比特操作的创纪录精度，这印证了他们在处理离子系统方面的卓越能力。尽管像克里斯托弗·门罗（Christopher Monroe）这样的国际研究人员正将基于离子的量子模拟视为研究凝聚态系统的未来方向，但ITMO大学的这项独特工作，却专注于利用这些带电粒子控制的基本原理，来构建宏观尺度的天体物理模型，为模拟宇宙的演化开辟了全新的实验路径。