Gentagelser i et isoleret kvante-mangel-kropssystem

Det er et af fysikkens mest forbløffende resultater - når et komplekst system efterlades alene, den vender tilbage til sin oprindelige tilstand med næsten perfekt præcision. Gas partikler, for eksempel, kaotisk hvirvler rundt i en beholder, vil vende tilbage næsten præcist til deres startpositioner efter et stykke tid. Poincarés gentagelsessætning er grundlaget for moderne kaosteori. I årtier, forskere har undersøgt, hvordan denne sætning kan anvendes på kvantefysikkens verden. Nu, forskere ved TU Wien (Wien) har med succes demonstreret en slags Poincaré-tilbagefald i et kvantesystem med flere partikler. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

I slutningen af ​​det 19. århundrede, den franske videnskabsmand Henri Poincaré studerede systemer, der ikke kan analyseres fuldstændigt med perfekt præcision - f.eks. solsystemer bestående af mange planeter og asteroider, eller gaspartikler, der bliver ved med at støde ind i hinanden. Hans overraskende resultat:Enhver tilstand, der er fysisk mulig, vil blive besat af systemet på et tidspunkt - i det mindste i en meget god grad af tilnærmelse. Hvis vi bare venter længe nok, på et tidspunkt vil alle planeter danne en lige linje, bare ved en tilfældighed. Gaspartiklerne i en kasse vil skabe interessante mønstre, eller gå tilbage til den tilstand, hvor de var, da eksperimentet startede.

En lignende sætning kan bevises for kvantesystemer. Der, imidlertid, helt andre regler gælder:"I kvantefysik, vi er nødt til at finde en helt ny måde at løse dette problem på, " siger professor Jörg Schmiedmayer fra Institut for Atom- og Subatomisk Fysik ved TU Wien. "Af meget grundlæggende årsager, tilstanden af ​​et stort kvantesystem, bestående af mange partikler, kan aldrig måles perfekt. Bortset fra det, partiklerne kan ikke ses som uafhængige objekter, vi er nødt til at tage højde for, at de er kvantemekanisk indviklede. "

Der har været forsøg på at demonstrere effekten af ​​"Poincaré -gentagelse" i kvantesystemer, men indtil nu har dette kun været muligt med et meget lille antal partikler, hvis tilstand blev målt så præcist som muligt. Dette er ekstremt kompliceret, og den tid, det tager systemet at vende tilbage til sin oprindelige tilstand, stiger dramatisk med antallet af partikler. Jörg Schmiedmayers team på TU Wien, imidlertid, valgte en anden tilgang:"Vi er ikke så meget interesseret i systemets komplette indre tilstand, som alligevel ikke kan måles, siger Bernhard Rauer, første forfatter til publikationen. "I stedet vil vi spørge:hvilke mængder kan vi observere, der fortæller os noget interessant om systemet som helhed? Og er der tidspunkter, hvor disse samlede mængder vender tilbage til deres oprindelige værdi?"

Teamet undersøgte adfærden for en ultrakold gas, bestående af tusinder af atomer, som holdes på plads af elektromagnetiske felter på en chip. "Der er flere forskellige størrelser, der beskriver egenskaberne ved en sådan kvantegas - for eksempel kohærenslængder i gassen og korrelationsfunktioner mellem forskellige punkter i rummet. Disse parametre fortæller os, hvor tæt partiklerne er forbundet med kvantemekaniske virkninger, "siger Sebastian Erne, der var ansvarlig for de teoretiske beregninger, der var nødvendige for projektet. "Vores daglige intuition er ikke vant til at håndtere disse mængder, men for et kvantesystem, de er afgørende."

Tilbagevendelse fundet - i kollektive mængder

Ved at måle sådanne mængder, som ikke refererer til enkelte partikler, men karakteriserer systemet som helhed, det var sandelig muligt at observere den længe søgte kvantegenfald. Og ikke kun det:"Med vores atomchip, vi kan endda påvirke den tid, det tager systemet at vende tilbage til en bestemt tilstand, "siger Jörg Schmiedmayer." Ved at måle denne form for tilbagefald, vi lærer meget om atomernes kollektive dynamik - for eksempel om lydens hastighed i gassen eller om spredning af fænomener i densitetsbølger. "

Det gamle spørgsmål, om kvantesystemer viser tilbagefald, kan endelig besvares:Ja, det gør de - men begrebet gentagelse skal omdefineres lidt. I stedet for at forsøge at kortlægge den komplette indre kvantetilstand i et system, som alligevel ikke kan måles, det giver mere mening at koncentrere sig om mængder, der kan måles i kvanteeksperimenter. Disse mængder kan observeres at glide væk fra deres oprindelige værdi - og til sidst at vende tilbage til deres oprindelige tilstand.