Hvordan naturen fortæller os dens formler

Mange af de største spørgsmål inden for fysik kan besvares ved hjælp af kvantefeltteorier:De er nødvendige for at beskrive dynamikken i mange interagerende partikler, og dermed er de lige så vigtige i faststoffysik som i kosmologi. Tit, imidlertid, det er ekstremt kompliceret at udvikle en kvantefeltteoretisk model til et specifikt problem - især hvis det pågældende system består af mange interagerende partikler.

Nu har et team fra TU Wien og universitetet i Heidelberg udviklet metoder, som disse modeller kan fås direkte fra eksperimentelle målinger. I stedet for at sammenligne de eksperimentelle resultater med teoretiske modelforudsigelser, det er, i en vis forstand, muligt at måle selve teorien. Dette skulle nu kaste nyt lys over det komplicerede område inden for kvantfysik med mange legemer.

Kvantesimulatorer

I de seneste år, en ny metode til at studere kvantefysiske systemer har fået betydning-de såkaldte "kvantesimulatorer". "Vi har simpelthen ikke en tilfredsstillende beskrivelse af nogle kvantesystemer, for eksempel høj temperatur superledere. Andre systemer kan bare ikke observeres direkte, såsom det tidlige univers kort efter Big Bang. Antag, at vi stadig vil lære noget om sådanne kvantesystemer - så vælger vi simpelthen et andet system, der let kan styres i laboratoriet og justerer det, så det opfører sig på samme måde som det system, vi faktisk er interesseret i. F.eks. vi kan bruge eksperimenter på ultrakølede atomer til at lære om systemer, som vi ellers slet ikke ville kunne studere, "forklarer Jörg Schmiedmayer fra Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) på TU Wien. Dette er muligt, fordi der er grundlæggende ligheder mellem forskellige kvantefysiske beskrivelser af forskellige systemer.

Men uanset hvilket kvantesystem der studeres, forskere støder altid på et grundlæggende problem:"Hvis der er for mange partikler involveret, kvanteteoriens formler bliver hurtigt så komplicerede, at de ikke kan løses, ikke engang med de bedste supercomputere i verden, "forklarer Sebastian Erne." Det er ærgerligt, fordi systemer bestående af mange partikler er særligt interessante. I hverdagen, det er altid sådan, at mange partikler spiller en rolle på samme tid. "

Slippe af med detaljerne

Generelt, det er ikke muligt at løse den nøjagtige kvante teori for et system med mange partikler, hvor hver eneste partikel betragtes. Man skal finde en forenklet kvantebeskrivelse, der indeholder alle de væsentlige egenskaber, men er ikke længere afhængig af detaljer om de enkelte partikler. "Det svarer til at beskrive en gas, "forklarer Jörg Schmiedmayer." Vi er ikke interesseret i hvert eneste atom, men i mere generelle variabler som tryk og temperatur. "

Men hvordan kommer du frem til sådanne teorier om systemer med mange organer? At udlede dem rent matematisk fra naturlovene, der gælder for individuelle partikler, er ekstremt kompliceret. Men som det nu viser sig, dette er ikke nødvendigt. "Vi har fundet en metode til at læse kvantefeltets teoretiske beskrivelse direkte fra forsøget, "siger Schmiedmayer." På en vis måde, naturen giver formlerne, hvormed det skal beskrives, helt af sig selv. "

Vi ved, at enhver kvante teori skal overholde visse formelle regler - vi taler f.eks. Om korrelationer, propagatorer, hjørner, Feynman -diagrammer - de grundlæggende byggesten i hver kvantemodel. Forskergruppen ved TU Wien og universitetet i Heidelberg har fundet en måde at gøre disse individuelle grundlæggende byggesten eksperimentelt tilgængelige. De eksperimentelle målinger resulterer i en empirisk opnået kvanteteori for et mangekroppssystem, uden at skulle arbejde med papir og blyant.

"Årevis, vi har mistanke om, at dette er teoretisk muligt, men ikke alle troede på os, at det faktisk virker, "siger Jörg Schmiedmayer." Nu har vi vist, at vi havde ret - ved at se på et særligt tilfælde, hvor teorien også kan findes og (i visse grænser) løses matematisk. Vores måleresultater giver nøjagtig de samme teori -byggesten. "

Ultrakold atomskyer

Eksperimentet blev udført med skyer af tusinder af ultrakølede atomer, der er fanget i en magnetisk fælde på en atomchip. "Fra kvantebølgemønstrene i disse atomskyer, vi kan bestemme de korrelationsfunktioner, hvorfra de grundlæggende byggesten i den relevante teori kan udledes, "forklarer Schmiedmayer.

Resultaterne er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang X . Teamet håber, at dette vil forenkle studiet af kvante-mangepartikelsystemer betydeligt. Måske vil det kaste lys over nogle af de store spørgsmål inden for fysik.