Många av fysikens största frågor kan besvaras med hjälp av kvantfältsteorier:De behövs för att beskriva dynamiken hos många interagerande partiklar, och därmed är de lika viktiga i fasta tillståndets fysik som i kosmologin. Ofta, dock, det är extremt komplicerat att utveckla en kvantfältsteoretisk modell för ett specifikt problem – speciellt om systemet i fråga består av många interagerande partiklar.

Nu har ett team från TU Wien och universitetet i Heidelberg utvecklat metoder med vilka dessa modeller kan erhållas direkt från experimentella mätningar. Istället för att jämföra de experimentella resultaten med teoretiska modellförutsägelser, det är, i viss mening, möjligt att mäta själva teorin. Detta borde nu kasta nytt ljus över det komplicerade området för kvantfysik med många kroppar.

Kvantsimulatorer

Under de senaste åren har en ny metod för att studera kvantfysiska system har fått betydelse – de så kallade "kvantsimulatorerna". "Vi har helt enkelt inte en tillfredsställande beskrivning av vissa kvantsystem, till exempel högtemperatursupraledare. Andra system kan helt enkelt inte observeras direkt, som det tidiga universum strax efter Big Bang. Anta att vi ändå vill lära oss något om sådana kvantsystem — då väljer vi helt enkelt ett annat system som enkelt kan styras i laboratoriet och anpassar det så att det beter sig på ett liknande sätt som det system vi faktiskt är intresserade av. vi kan använda experiment på ultrakalla atomer för att lära oss om system som vi annars inte skulle kunna studera alls, " förklarar Jörg Schmiedmayer från Vienna Centre of Quantum Science and Technology (VCQ) vid TU Wien. Detta är möjligt eftersom det finns grundläggande likheter mellan olika kvantfysiska beskrivningar av olika system.

Men oavsett vilket kvantsystem man studerar, forskare stöter alltid på ett grundläggande problem:"Om det finns för många partiklar inblandade, kvantteorins formler blir snabbt så komplicerade att de inte kan lösas, inte ens med de bästa superdatorerna i världen, " förklarar Sebastian Erne. "Det är synd, eftersom system som består av många partiklar är särskilt intressanta. I vardagen, det är alltid så att många partiklar spelar en roll samtidigt."

Att bli av med detaljerna

I allmänhet, det är inte möjligt att lösa den exakta kvantteorin för ett system med många partiklar, där varje enskild partikel beaktas. Man måste hitta en förenklad kvantbeskrivning som innehåller alla väsentliga egenskaper, men förlitar sig inte längre på detaljer om de enskilda partiklarna. "Detta liknar att beskriva en gas, " förklarar Jörg Schmiedmayer. "Vi är inte intresserade av varje enskild atom, men i mer allmänna variabler som tryck och temperatur."

Men hur kommer man fram till sådana teorier för många kroppssystem? Att härleda dem rent matematiskt från de naturlagar som gäller för enskilda partiklar är extremt komplicerat. Men som det nu visar sig, detta är inte nödvändigt. "Vi har hittat en metod för att läsa den kvantfältteoretiska beskrivningen direkt från experimentet, " säger Schmiedmayer. "I en viss mening, naturen tillhandahåller formlerna, med vilken den måste beskrivas, helt av sig själv."

Vi vet att varje kvantteori måste följa vissa formella regler - vi talar till exempel om korrelationer, förökare, hörn, Feynman-diagram – de grundläggande byggstenarna i varje kvantfysisk modell. Forskargruppen vid TU Wien och universitetet i Heidelberg har hittat ett sätt att göra dessa individuella grundläggande byggstenar experimentellt tillgängliga. De experimentella mätningarna resulterar i en empiriskt erhållen kvantteori för ett system med många kroppar, utan att behöva arbeta med papper och penna.

"I åratal, vi har misstänkt att detta är teoretiskt möjligt, men inte alla trodde på oss att det faktiskt fungerar, ", säger Jörg Schmiedmayer. "Nu har vi visat att vi hade rätt — genom att titta på ett specialfall där teorin också kan hittas och (inom vissa gränser) lösas matematiskt. Våra mätresultat ger exakt samma teoribyggestenar."

Ultrakalla atommoln

Experimentet gjordes med moln av tusentals ultrakalla atomer som är fångade i en magnetfälla på ett atomchip. "Från kvantvågsmönstren för dessa atommoln, vi kan bestämma korrelationsfunktionerna från vilka de grundläggande byggstenarna i den lämpliga teorin kan härledas, " förklarar Schmiedmayer.

Resultaten har nu publicerats i tidningen Fysisk granskning X . Teamet hoppas att detta kommer att avsevärt förenkla studiet av kvantmångpartikelsystem. Kanske kommer det att kasta lite ljus över några av de stora frågorna inom fysiken.