Udforskning af kvantesystemer, der ikke finder ligevægt

Nogle fysiske systemer, især i kvanteverdenen, ikke når en stabil ligevægt selv efter lang tid. En ETH-forsker har nu fundet en elegant forklaring på dette fænomen.

Hvis du putter en flaske øl i et stort badekar fyldt med iskoldt vand, det varer ikke længe før du kan nyde en kold øl. Fysikere opdagede, hvordan dette fungerer for mere end hundrede år siden. Varmevekslingen foregår gennem glasflasken indtil ligevægt er nået.

Imidlertid, der er andre systemer, især kvantesystemer, der ikke finder ligevægt. De ligner en hypotetisk ølflaske i et bad med iskoldt vand, der ikke altid og uundgåeligt afkøles til badevandets temperatur, men når snarere forskellige tilstande afhængigt af sin egen begyndelsestemperatur. Indtil nu, sådanne systemer har undret fysikere. Men Nicolò Defenu, en postdoc ved ETH Zürich Institut for Teoretisk Fysik, har nu fundet en måde at elegant forklare denne adfærd.

En mere fjern indflydelse

Specifikt, vi taler om systemer, hvor de enkelte byggesten ikke kun påvirker deres umiddelbare naboer, men også objekter længere væk. Et eksempel ville være en galakse:tyngdekraften fra de individuelle stjerner og planetsystemer virker ikke kun på de tilstødende himmellegemer, men langt ud over det – omend stadig svagere – på galaksens andre komponenter.

Defenus tilgang begynder med at forenkle problemet til en verden med en enkelt dimension. I det, der er en enkelt kvantepartikel, der kun kan opholde sig på meget specifikke steder langs en linje. Denne verden ligner et brætspil som Ludo, hvor en lille token hopper fra firkant til firkant. Antag, at der er en spil terning, hvis sider alle er markeret med 'en' eller 'minus en', og antag, at spilleren kaster terningen igen og igen i rækkefølge. Tokenet vil hoppe til en naboplads, og derfra vil den enten hoppe tilbage eller videre til næste felt. Og så videre.

Spørgsmålet er, Hvad sker der, hvis spilleren kaster terningen et uendeligt antal gange? Hvis der kun er nogle få felter i spillet, tokenet vil vende tilbage til sit udgangspunkt i ny og næ. Imidlertid, det er umuligt at forudsige præcis, hvor det vil være på et givet tidspunkt, fordi terningkastet er ukendt.

Tilbage til start

Det er en lignende situation med partikler, der er underlagt kvantemekanikkens love:der er ingen måde at vide præcis, hvor de er på et givet tidspunkt. Imidlertid, det er muligt at fastslå deres opholdssted ved hjælp af sandsynlighedsfordelinger. Hver fordeling er et resultat af en forskellig overlejring af sandsynligheden for de enkelte lokaliteter og svarer til en bestemt energitilstand for partiklen. Det viser sig, at antallet af stabile energitilstande falder sammen med antallet af frihedsgrader i systemet og svarer således nøjagtigt til antallet af tilladte lokationer. Det vigtige er, at alle de stabile sandsynlighedsfordelinger er ikke-nul ved udgangspunktet. Så på et tidspunkt, tokenet vender tilbage til sin startplads.

Jo flere firkanter der er, jo sjældnere vil tokenet vende tilbage til sit udgangspunkt; til sidst, med et uendeligt antal mulige kvadrater, det kommer aldrig tilbage. For kvantepartiklen, det betyder, at der er et uendeligt antal måder, hvorpå sandsynligheden for de enkelte lokaliteter kan kombineres til fordelinger. Dermed, det kan ikke længere kun optage visse diskrete energitilstande, men alle mulige i et kontinuerligt spektrum.

Intet af dette er ny viden. Der er, imidlertid, varianter af spillet eller fysiske systemer, hvor terningen også kan indeholde tal større end én og mindre end minus én, dvs. de tilladte trin pr. træk kan være større – for at være præcis, endda uendelig stor. Dette ændrer situationen fundamentalt, som Defenu nu har været i stand til at vise:i disse systemer, energispektret forbliver altid diskret, selv når der er uendelige firkanter. Det betyder, at fra tid til anden, partiklen vil vende tilbage til sit udgangspunkt.

Besynderlige fænomener

Denne nye teori forklarer, hvad videnskabsmænd allerede har observeret mange gange i eksperimenter:systemer, hvor der forekommer langdistanceinteraktioner, når ikke en stabil ligevægt, men snarere en metastabil tilstand, hvor de altid vender tilbage til deres udgangsposition. I tilfælde af galakser, dette er en af ​​grundene til, at de udvikler spiralarme i stedet for at være ensartede skyer. Tætheden af ​​stjerner er højere inde i disse arme end udenfor.

Et eksempel på kvantesystemer, der kan beskrives med Defenus teori, er ioner, som er ladede atomer fanget i elektriske felter. At bruge sådanne ionfælder til at bygge kvantecomputere er i øjeblikket et af de største forskningsprojekter i verden. Imidlertid, for at disse computere virkelig kan levere en trinvis ændring med hensyn til beregningskraft, de vil have brug for et meget stort antal samtidigt fangede ioner – og det er netop det punkt, hvor den nye teori bliver interessant. "I systemer med hundrede eller flere ioner, du ville se ejendommelige effekter, som vi nu kan forklare, " siger Defenu, som er medlem af ETH Professor Gian Michele Grafs gruppe. Hans kolleger i eksperimentel fysik kommer hver dag tættere på målet om at kunne realisere sådanne formationer. Og når de først er nået dertil, det kan være umagen værd at få en kold øl med Defenu.