Anmärkningsvärda regler har upptäckts i det uppenbara kaoset i jämviktsprocesser. Olika system beter sig identiskt på många sätt, om de tillhör samma "universalitetsklass". Detta innebär att experiment kan utföras med kvantsystem som är lätta att hantera för att få exakt information om system som inte kan studeras direkt i experimentet - till exempel Big Bang.

Vissa fenomen är så komplicerade att det är omöjligt att exakt beräkna dem. Detta inkluderar stora kvantsystem, som består av många partiklar, särskilt när de inte är i jämviktstillstånd, men förändras snabbt. Sådana exempel inkluderar vildpartikelinferno som uppträder i partikelacceleratorer när stora atomer kolliderar, eller förhållanden strax efter Big Bang, när partiklar snabbt expanderade och sedan svalnade.

Vid TU Wien och Heidelberg University, anmärkningsvärda regler har upptäckts i det uppenbara kaoset i jämviktsprocesser. Detta indikerar att sådana processer kan delas in i universalitetsklasser. System som tillhör samma klass beter sig identiskt på många sätt. Detta innebär att experiment kan utföras med kvantsystem som är lätta att hantera för att få exakt information om andra system som inte direkt kan studeras i experimentet. Dessa fynd har sedan publicerats i tidskriften Natur .

Universella regler

"Universitetsklasser är kända från andra fysikområden, "säger professor Jörg Schmiedmayer från Institute of Atomic and Subatomic Physics vid TU Wien." När du studerar fasövergångar, till exempel, material mycket nära smältpunkten, du kan beskriva vissa egenskaper med hjälp av formler som är mycket universella, såsom förhållandet mellan den specifika värmen och temperaturen. "De mikroskopiska detaljerna i smältprocessen spelar ingen roll. Mycket olika material kan följa samma enkla ekvationer.

"Det är dock helt häpnadsväckande att denna typ av universalitet också kan hittas i kvantsystem som är långt borta från ett jämviktstillstånd, "säger Jörg Schmiedmayer." Vid första anblicken du skulle inte förvänta dig detta:varför skulle ett kvantsystem som består av många partiklar som förändras extremt snabbt följa alla universella lagar? "Ändå, teoretiskt arbete från Jürgen Berges och Thomas Gasenzers grupper från Heidelberg universitet förutspådde exakt det. Dessa anmärkningsvärda förutsägelser har nu verifierats två gånger samtidigt - vid TU Wien och i Heidelberg.

Den snabba och långsamma riktningen

Experimentet i prof. Schmiedmayers grupp vid Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) vid Institute of Atomic and Subatomic Physics (TU Wien) använder en mycket speciell atomfälla. På ett atomchip, tusentals rubidiumatomer kan fångas och kylas med hjälp av elektromagnetiska fält. "I denna process, vi genererar ett atommoln med en kort och en lång riktning, liknar en cigarr, "förklarar Sebastian Erne, huvudförfattaren till studien.

Initialt, atomerna rör sig i alla riktningar med samma hastighet. Atomfällan kan, dock, öppnas i de korta (tvärgående) riktningarna, vilket betyder att de atomer som rör sig särskilt snabbt i denna riktning flyger iväg. Detta efterlämnar endast atomer som har en relativt låg hastighet i tvärriktningarna.

"Hastighetsfördelningen i en riktning ändras så snabbt att under denna tid, hastighetsfördelningen i andra riktningen, längs cigarrens längre axel, förändras praktiskt taget inte alls, "säger Sebastian Erne." Som ett resultat, vi producerar ett tillstånd som är långt från den termiska jämvikten. "Kollisioner och interaktioner leder sedan till energiutbyte mellan atomerna, som kallas termisering.

"Vårt experiment visar att förloppet för denna termisering följer en universell lag och inte är beroende av några detaljer, "säger Jörg Schmiedmayer." Oavsett hur vi började termisera, övergången kan alltid beskrivas med samma formel. "

Det var en liknande historia för forskargruppen från Heidelberg. Där med, de började med ett långsträckt atommoln. Dock, Heidelberg -teamet studerade inte hastigheten utan snurren (den inre vinkelmomentet) hos partiklarna. De kontrollerade först atomernas rotationsriktningar och observerade sedan hur dessa riktningar förändras över tid på grund av interaktioner mellan atomerna.

Denna förändring kan beskrivas med samma formler som den från det andra experimentet:"I vårt fall, den fysiska situationen skiljer sig ganska mycket från TU Wien -experimentet, men dynamiken följer också universella skalningslagar, "förklarar Maximilian Prüfer (Heidelberg), första författare till Heidelberg -publikationen.

"Vi har hittat en process som också lyder universaliteten men tillhör en annan universalitetsklass. Detta är fantastiskt eftersom det bekräftar våra teorier mycket övertygande och antyder att vi verkligen är på väg mot något - en ny, grundlag, "säger Markus Oberthaler (även Heidelberg).

Att lära av ett system om andra

Universiteten ökar möjligheten att få viktig information om kvantsystem som vanligtvis är otillgängliga i ett laboratorium. "Ingen kan återskapa Big Bang i ett laboratorium, men om vi känner till den universalitetsklass som den tillhör, vi kan titta på andra kvantsystem i samma klass och indirekt undersöka universella egenskaper under Big Bang, "förklarar Schmiedmayer." Bättre förståelse för beteendet hos kvantsystem med många partiklar som är långt ifrån jämvikt är en av de mest angelägna frågorna inom fysiken idag. Även med de bästa superdatorer, det finns ingen chans att exakt beräkna dessa händelser, och så är våra universalitetskurser ett stort tillfälle att lära sig något nytt. "