Kvantfysik:Kontrolleret eksperiment observerer selvorganiseret kritik

Skriver ind Natur , forskere beskriver første gang observation af 'selvorganiseret kritik' i et kontrolleret laboratorieforsøg. Der findes komplekse systemer inden for matematik og fysik, men forekommer også i naturen og samfundet. Begrebet selvorganiseret kritik hævder, at uden ekstern input, komplekse systemer i ikke-ligevægt har tendens til at udvikle sig til en kritisk tilstand langt væk fra en stabil ligevægt. Den vej, de forstærker deres egen ikke-ligevægt.

Systemer, der ved første øjekast er ret forskellige, som formidling af information i sociale netværk eller spredning af ild eller sygdom, kan have lignende egenskaber. Et eksempel er en lavine-lignende adfærd, der forstærker sig selv i stedet for at gå i stå. Imidlertid, disse komplekse systemer er meget vanskelige at studere under kontrollerede laboratorieforhold.

For første gang, forskere fra European Center for Quantum Sciences (CESQ) i Strasbourg, i samarbejde med forskere fra universiteterne i Köln og Heidelberg og California Institute of Technology, er det lykkedes at observere de vigtigste træk ved selvorganiseret kritik i et kontrolleret eksperiment-herunder universel lavineadfærd.

Teamet arbejdede med en gas bestående af kaliumatomer, som de tilberedte ved meget lave temperaturer, tæt på absolut nul. "I denne tilstand, gassen er lettere at kontrollere, hvilket gør det mere egnet til at studere de grundlæggende kvanteegenskaber ved atomer, "sagde professor Shannon Whitlock ved Institute of Supramolecular Science and Technology ved University of Strasbourg.

Ved at stimulere gasatomer med lasere, teamet var i stand til at påvirke interaktionerne mellem disse atomer. "Når stimuleret, atomer kan enten generere nye sekundære stimulationer eller udlade sig spontant, "forklarede Tobias Wintermantel, en forsker på Whitlocks team.

Da laseren blev tændt, mange atomer slap i første omgang meget hurtigt. Deres resterende antal i gassen stabiliserede sig til den samme værdi. Også, antallet af resterende partikler afhænger af laserens intensitet. "Sammenligning af vores laboratorieresultater med en teoretisk model, vi så, at disse to effekter har samme oprindelse, "sagde den teoretiske fysiker professor Sebastian Diehl fra Köln-universitetet. Dette var en første indikation på fænomenet selvorganiseret kritik.

"Eksperimenterne viste, at nogle systemer udvikler sig selv op til deres kritiske fase af faseovergang, "Tilføjede Diehl. Dette er overraskende:i en typisk faseovergang, som kogende vand, der går fra væske til gas, der er kun et kritisk punkt. I kogende vand, selvorganiseret kritik ville betyde, at systemet automatisk forbliver i en suspensionstilstand mellem væske og gas på det kritiske overgangspunkt-selvom temperaturen blev ændret. Indtil nu, dette koncept er aldrig blevet verificeret og testet i et så stærkt kontrollerbart fysisk system.

Efter forsøget, holdet vendte tilbage til laboratoriet for at bekræfte et andet markant træk ved selvorganiseret kritik:en selvbærende adfærd ved atomisk forfald, svarende til løbende genopfyldte laviner. Lignende egenskaber er allerede blevet observeret kvalitativt tidligere i andre tilfælde - såsom jordskælv eller soludbrud. "For første gang, vi observerede nøgleelementerne i selvorganiseret kritikalitet kvantitativt i laboratoriet. Vi var i stand til at etablere et meget kontrollerbart atomeksperimentelt system, "sagde Shannon Whitlock.

I yderligere trin, forskerne vil nu undersøge, hvordan atomernes kvantekarakter påvirker selvorganiseringsmekanismen. "På lang sigt, dette kan bidrage til at skabe nye kvante -teknologier eller til at løse nogle beregningsproblemer, der er vanskelige for normale computere, "Konkluderede Diehl.

Fænomenet selvorganiseret kritik blev først udviklet til laviner i 1987 af fysikerne Per Bak, Chao Tang og Kurt Wiesenfeld. Yderligere modeller af andre forskere til evolution, skovbrande og jordskælv fulgte. Indtil nu, ingen generelle forhold, der udløser selvorganiseret kritik, er blevet identificeret.