Kvantesystemer:Samme, men anderledes

Bemærkelsesværdige regler er blevet opdaget i det tilsyneladende kaos i ligevægtsprocesser. Forskellige systemer opfører sig identisk på mange måder, hvis de tilhører den samme "universalitetsklasse". Det betyder, at der kan udføres eksperimenter med kvante systemer, der er lette at håndtere for at få præcise oplysninger om systemer, der ikke kan studeres direkte i eksperimentet - f.eks. Big Bang.

Nogle fænomener er så komplicerede, at det er umuligt at beregne dem præcist. Dette omfatter store kvante systemer, som består af mange partikler, især når de ikke er i ligevægtstilstand, men ændrer sig hurtigt. Sådanne eksempler omfatter det inferno af vild partikel, der forekommer i partikelacceleratorer, når store atomer støder sammen, eller forhold lige efter Big Bang, når partikler hurtigt udvidede sig og derefter afkølede.

På TU Wien og Heidelberg Universitet, bemærkelsesværdige regler er blevet opdaget i det tilsyneladende kaos af uligevægtsprocesser. Dette indikerer, at sådanne processer kan opdeles i universalitetsklasser. Systemer, der tilhører samme klasse, opfører sig identisk på mange måder. Det betyder, at der kan udføres eksperimenter med kvantesystemer, der er lette at håndtere for at opnå præcise oplysninger om andre systemer, der ikke kan studeres direkte i forsøget. Disse fund er siden blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Universelle regler

"Universitetsklasser er kendt fra andre fysikområder, "siger professor Jörg Schmiedmayer fra Institute of Atomic and Subatomic Physics på TU Wien." Når du studerer faseovergange, for eksempel, materialer meget tæt på smeltepunktet, du kan beskrive visse egenskaber ved hjælp af formler, der er meget universelle, såsom forholdet mellem den specifikke varme og temperaturen. "De mikroskopiske detaljer i smelteprocessen er ligegyldige. Meget forskellige materialer kan adlyde de samme enkle ligninger.

"Det er dog fuldstændig forbløffende, at universalitet af denne art også kan findes i kvantesystemer, der er langt væk fra en ligevægtstilstand, " siger Jörg Schmiedmayer. "Ved første øjekast, du ville ikke forvente dette:hvorfor skulle et kvantesystem bestående af mange partikler, der ændrer sig ekstremt hurtigt, overholde enhver universel lovgivning? "Ikke desto mindre, teoretisk arbejde fra Jürgen Berges og Thomas Gasenzers grupper fra Heidelberg Universitet forudsagde præcis det. Disse bemærkelsesværdige forudsigelser er nu blevet verificeret to gange på samme tid - på TU Wien og i Heidelberg.

Den hurtige og langsomme retning

Eksperimentet i prof. Schmiedmayers gruppe ved Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) ved Institute of Atomic and Subatomic Physics (TU Wien) anvender en helt særlig atomfælde. På en atomchip, tusindvis af rubidium-atomer kan fanges og afkøles ved hjælp af elektromagnetiske felter. "I denne proces, vi genererer en atomsky med en kort og en lang retning, ligner en cigar, "forklarer Sebastian Erne, undersøgelsens hovedforfatter.

I første omgang, atomerne bevæger sig i alle retninger med samme hastighed. Atomfælden kan, imidlertid, åbnes i de korte (tværgående) retninger, hvilket betyder, at de atomer, der bevæger sig særligt hurtigt i denne retning, flyver væk. Dette efterlader kun atomer, der har en relativt lav hastighed i tværretningerne.

"Hastighedsfordelingen i en retning ændres så hurtigt, at i løbet af denne tid, hastighedsfordelingen i den anden retning, langs cigarens længere akse, ændrer sig stort set ikke, "siger Sebastian Erne." Som et resultat, vi producerer en tilstand, der er langt fra den termiske ligevægt. "Kollisioner og interaktioner fører derefter til energiudveksling mellem atomerne, som kaldes termalisering.

"Vores eksperiment viser, at forløbet af denne termalisering følger en universel lov og ikke er afhængig af detaljer, "siger Jörg Schmiedmayer." Uanset hvordan vi startede termaliseringen, overgangen kan altid beskrives med den samme formel."

Det var en lignende historie for forskergruppen fra Heidelberg. Også der, de startede med en langstrakt atomsky. Imidlertid, Heidelberg -teamet undersøgte ikke partiklernes hastighed, men centrifugeringen (det iboende vinkelmoment). De kontrollerede først atomernes spinretninger og observerede derefter, hvordan disse retninger ændres over tid på grund af interaktioner mellem atomerne.

Denne ændring kan beskrives ved hjælp af de samme formler som den fra det andet eksperiment:"I vores tilfælde, den fysiske situation er helt anderledes end TU Wien-eksperimentet, men dynamikken adlyder også universelle skaleringslove, "forklarer Maximilian Prüfer (Heidelberg), første forfatter til Heidelberg -publikationen.

"Vi har fundet en proces, der også adlyder universaliteten, men som tilhører en anden universalitetsklasse. Det er fantastisk, fordi det bekræfter vores teorier meget overbevisende og antyder, at vi virkelig er på vej til noget - et nyt, grundlov, ”siger Markus Oberthaler (også Heidelberg).

At lære af et system om andre

Universalitet øger muligheden for at få vigtig information om kvantesystemer, der normalt er utilgængelige i et laboratorium. "Ingen kan genskabe Big Bang i et laboratorium, men hvis vi kender den universalitetsklasse, den tilhører, vi kan se på andre kvantesystemer i samme klasse og indirekte undersøge universelle egenskaber under Big Bang, "forklarer Schmiedmayer." Bedre forståelse af adfærden hos mangepartikelsystemer, der er langt fra ligevægt, er et af de mest presserende spørgsmål i fysikken i dag. Selv med de bedste supercomputere, der er ingen chance for præcist at beregne disse begivenheder, og derfor er vores universalitetskurser en stor mulighed for at lære noget nyt. "