Εξερεύνηση κβαντικών συστημάτων που δεν βρίσκουν ισορροπία

Όχι μόνο τα κβαντικά συστήματα, αλλά και μεγάλα αντικείμενα όπως ο σπειροειδής γαλαξίας NGC 1300 μπορούν να υιοθετήσουν μια μεταστατική κατάσταση που οδηγεί σε ξαφνικά αποτελέσματα. Πίστωση: Ομάδα Hubble Heritage, Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος, NASA

Ορισμένα φυσικά συστήματα, ειδικά στον κβαντικό κόσμο, δεν φτάνουν σε σταθερή ισορροπία ακόμη και μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα. Ένας ερευνητής του ETH βρήκε μια κομψή εξήγηση για αυτό το φαινόμενο.


Εάν βάζετε ένα μπουκάλι μπύρας σε μια μεγάλη μπανιέρα γεμάτη με παγωμένο νερό, δεν θα αργήσει πολύ να απολαύσετε μια κρύα μπύρα. Οι φυσικοί ανακάλυψαν πώς λειτουργεί αυτό περισσότερο από εκατό χρόνια πριν. Η ανταλλαγή θερμότητας πραγματοποιείται μέσω της φιάλης έως ότου επιτευχθεί ισορροπία.

Ωστόσο, υπάρχουν και άλλα συστήματα, ειδικότερα Κβαντικά συστήματα, το οποίο δεν βρίσκει ισορροπία. Είναι σαν ένα υποθετικό μπουκάλι μπύρας σε ένα λουτρό με παγωμένο νερό που δεν ψύχεται πάντα και αναπόφευκτα στη θερμοκρασία του νερού του μπάνιου, αλλά φτάνει σε διαφορετικές καταστάσεις ανάλογα με την αρχική του θερμοκρασία. Μέχρι στιγμής, τέτοια συστήματα έχουν μπερδεύσει τους φυσικούς. Αλλά ο Nicolò Defenu, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής του ETH Ζυρίχης, βρήκε τώρα έναν τρόπο να εξηγήσει κομψά αυτήν τη συμπεριφορά.

μακρύτερο αποτέλεσμα

Συγκεκριμένα, μιλάμε για συστήματα στα οποία μεμονωμένα δομικά στοιχεία επηρεάζουν όχι μόνο τους άμεσους γείτονές τους, αλλά και απομακρυσμένα αντικείμενα. Ένα παράδειγμα είναι ο γαλαξίας: οι βαρυτικές δυνάμεις των μεμονωμένων αστεριών και των πλανητικών συστημάτων επηρεάζουν όχι μόνο τα γειτονικά ουράνια σώματα, αλλά πολύ πιο πέρα ​​- αν και ποτέ πιο αδύναμα – σε άλλα συστατικά του γαλαξία.

Η προσέγγιση του Defenu ξεκινά απλοποιώντας το πρόβλημα σε έναν μονοδιάστατο κόσμο. Έχει ένα κβαντικό σωματίδιο που μπορεί να υπάρχει μόνο σε πολύ συγκεκριμένες τοποθεσίες κατά μήκος της γραμμής. Αυτός ο κόσμος είναι σαν επιτραπέζιο παιχνίδι Όπως το Ludo, όπου απογειώνεται ένα μικρό διακριτικό τετράγωνο για τετράγωνο. Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα παιχνίδι του οποίου οι πλευρές φέρουν την ένδειξη «ένα» ή «μείον ένα» και ας υποθέσουμε ότι ο παίκτης ρίχνει τα ζάρια ξανά και ξανά σε μια σειρά. Το διακριτικό θα μεταβεί στην παρακείμενη πλατεία και από εκεί είτε θα επιστρέψει είτε θα επιστρέψει στην επόμενη πλατεία. Και ούτω καθεξής.

Το ερώτημα είναι, τι θα συμβεί αν ένας παίκτης ρίξει τα ζάρια σε απεριόριστες φορές; Εάν υπάρχουν μερικά πλακίδια στο παιχνίδι, το διακριτικό θα επιστρέφει στο σημείο εκκίνησης κάθε τόσο. Ωστόσο, είναι αδύνατο να προβλεφθεί ακριβώς πού θα είναι ανά πάσα στιγμή, επειδή τα ζάρια δεν είναι γνωστά.

Φτου κι απ’την αρχή

Είναι μια παρόμοια κατάσταση για σωματίδια που υπακούουν στους νόμους της κβαντικής μηχανικής: δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε ακριβώς πού βρίσκονται ανά πάσα στιγμή. Ωστόσο, είναι δυνατό να προσδιοριστεί η χρήση τους κατανομές πιθανότητας. Κάθε κατανομή προκύπτει από μια διαφορετική υπέρθεση πιθανοτήτων για τις μεμονωμένες τοποθεσίες και αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη ενεργειακή κατάσταση του σωματιδίου. Αποδεικνύεται ότι ο αριθμός των καταστάσεων σταθερής ενέργειας αντιστοιχεί στον αριθμό των βαθμών ελευθερίας του συστήματος και ως εκ τούτου αντιστοιχεί ακριβώς στον αριθμό των επιτρεπόμενων τοποθεσιών. Το θέμα είναι ότι όλες οι σταθερές κατανομές πιθανότητας δεν είναι μηδενικές στο σημείο εκκίνησης. Έτσι σε κάποιο σημείο, το διακριτικό επιστρέφει στην αρχική του πλατεία.

Όσο περισσότερα πλακίδια, τόσο λιγότερες φορές το token θα επιστρέψει στο σημείο εκκίνησης. Στο τέλος, με έναν άπειρο αριθμό πιθανών τετραγώνων, δεν θα επιστρέψετε ποτέ. Για ένα κβαντικό σωματίδιο, αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ένας άπειρος αριθμός τρόπων με τους οποίους οι πιθανότητες μεμονωμένων τοποθεσιών μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν διανομές. Έτσι, δεν μπορεί πλέον να καταλαμβάνει μόνο ορισμένες διακριτές ενεργειακές καταστάσεις, αλλά όλες τις πιθανές καταστάσεις σε συνεχές φάσμα.

Κανένα από αυτά δεν είναι νέα γνώση. Ωστόσο, υπάρχουν διαφορετικοί τύποι παιχνιδιών ή φυσικά συστήματα Δεδομένου ότι η μήτρα μπορεί επίσης να έχει αριθμούς μεγαλύτερους από έναν και μικρότερους από έναν, δηλαδή, τα βήματα που επιτρέπονται για κάθε κίνηση μπορεί να είναι μεγαλύτερα – για να είμαστε ακριβείς, ακόμη και αν είναι απείρως μεγάλοι. Αυτό αλλάζει ριζικά την κατάσταση, όπως μπορούσε τώρα να δείξει ο Defenu: σε αυτά τα συστήματα, το ενεργειακό φάσμα παραμένει πάντα ξεχωριστό, ακόμα και όταν υπάρχουν άπειρα τετράγωνα. Αυτό σημαίνει ότι από καιρό σε καιρό, το σωματίδιο θα επιστρέψει στο σημείο εκκίνησής του.

περίεργα φαινόμενα

Αυτή η νέα θεωρία εξηγεί αυτό που οι επιστήμονες έχουν ήδη παρατηρήσει αρκετές φορές σε πειράματα: συστήματα στα οποία οι αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας δεν φτάνουν σε σταθερή ισορροπία, αλλά μάλλον σε μια μετα-σταθερή κατάσταση στην οποία επιστρέφουν πάντα στην αρχική τους θέση. Στην περίπτωση των γαλαξιών, αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο αναπτύσσουν σπειροειδείς βραχίονες και όχι ομοιόμορφα σύννεφα. Η πυκνότητα των αστεριών μέσα σε αυτούς τους βραχίονες είναι μεγαλύτερη από το εξωτερικό.

Παραδείγματα κβαντικών συστημάτων που μπορούν να περιγραφούν από τη θεωρία του Defenu περιλαμβάνουν ιόντα, τα οποία είναι φορτισμένα άτομα παγιδευμένα σε ηλεκτρικά πεδία. Η χρήση τέτοιων παγίδων ιόντων για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών είναι ένα από τα μεγαλύτερα ερευνητικά έργα σε όλο τον κόσμο. Ωστόσο, για να προσφέρουν αυτοί οι υπολογιστές σταδιακή αλλαγή όσον αφορά την υπολογιστική ισχύ, θα χρειαζόταν ένα πολύ μεγάλο ποσό. Αριθμός ιόντων παγιδευμένων ταυτόχρονα – και αυτό είναι ακριβώς το σημείο όπου η νέα θεωρία γίνεται ενδιαφέρουσα. “Σε συστήματα με εκατό ιόντα ή περισσότερα, θα δείτε παράξενα εφέ που μπορούμε να εξηγήσουμε τώρα”, λέει ο Devino, ο οποίος είναι μέλος της ομάδας του καθηγητή Gian-Michel Graf. συμπαίκτες στο πειραματική φυσική Κάθε μέρα πλησιάζουν στο στόχο να είναι σε θέση να επιτύχουν τέτοιους σχηματισμούς. Και μόλις φτάσουν εκεί, ίσως αξίζει να έχετε μια κρύα μπύρα με το Defenu.


Ένας άπειρος αριθμός κβαντικών σωματιδίων δίνει ενδείξεις για τη συμπεριφορά της μεγάλης εικόνας σε μεγάλη κλίμακα


περισσότερες πληροφορίες:
Nicolò Defenu, Σταθερότητα και διακριτό φάσμα για συστήματα μεγάλης εμβέλειας, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2101785118

το απόσπασμα: Εξερεύνηση κβαντικών συστημάτων που δεν βρίσκουν ισορροπία (2021, 27 Ιουλίου) Ανακτήθηκε στις 27 Ιουλίου 2021 από https://phys.org/news/2021-07-exploring-quantum-dont-equilibrium.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από οποιαδήποτε δίκαιη διαπραγμάτευση για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Το κβαντικό λέιζερ μετατρέπει την απώλεια ενέργειας σε κέρδος

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *