Vissa fysiska system, speciellt i kvantvärlden, inte nå en stabil jämvikt även efter lång tid. En ETH-forskare har nu hittat en elegant förklaring till detta fenomen.

Om du lägger en flaska öl i ett stort badkar fullt med iskallt vatten, det dröjer inte länge innan du kan njuta av en kall öl. Fysiker upptäckte hur detta fungerar för mer än hundra år sedan. Värmeväxling sker genom glasflaskan tills jämvikt uppnås.

Dock, det finns andra system, speciellt kvantsystem, som inte finner jämvikt. De liknar en hypotetisk ölflaska i ett bad med iskallt vatten som inte alltid och oundvikligen svalnar till badvattnets temperatur, men når snarare olika tillstånd beroende på sin egen initiala temperatur. Tills nu, sådana system har förbryllat fysiker. Men Nicolò Defenu, en postdoc vid ETH Zürich Institute for Theoretical Physics, har nu hittat ett sätt att elegant förklara detta beteende.

Ett mer avlägset inflytande

Specifikt, vi talar om system där de enskilda byggstenarna påverkar inte bara sina närmaste grannar, men även föremål längre bort. Ett exempel skulle vara en galax:gravitationskrafterna hos de enskilda stjärnorna och planetsystemen verkar inte bara på de närliggande himlakropparna, men långt bortom det – om än allt svagare – på de andra komponenterna i galaxen.

Defenus tillvägagångssätt börjar med att förenkla problemet till en värld med en enda dimension. I det, det finns en enda kvantpartikel som bara kan vistas på mycket specifika platser längs en linje. Den här världen liknar ett brädspel som Ludo, där en liten token hoppar från ruta till ruta. Anta att det finns en speltärning vars sidor alla är markerade med "ett" eller "minus ett", och anta att spelaren kastar tärningen om och om igen i följd. Token kommer att hoppa till ett närliggande torg, och därifrån kommer den antingen att hoppa tillbaka eller vidare till nästa ruta. Och så vidare.

Frågan är, Vad händer om spelaren slår tärningen oändligt många gånger? Om det bara finns ett fåtal rutor i spelet, token kommer att återgå till sin startpunkt då och då. Dock, det är omöjligt att förutsäga exakt var det kommer att vara vid en given tidpunkt eftersom tärningskasten är okända.

Tillbaka till ruta ett

Det är en liknande situation med partiklar som är föremål för kvantmekanikens lagar:det finns inget sätt att veta exakt var de är vid en given tidpunkt. Dock, det är möjligt att fastställa var de befinner sig med hjälp av sannolikhetsfördelningar. Varje fördelning är resultatet av en annan överlagring av sannolikheterna för de enskilda platserna och motsvarar ett visst energitillstånd för partikeln. Det visar sig att antalet stabila energitillstånd sammanfaller med antalet frihetsgrader i systemet och därmed exakt motsvarar antalet tillåtna platser. Den viktiga punkten är att alla stabila sannolikhetsfördelningar är icke-noll vid utgångspunkten. Så någon gång, token återgår till sin startruta.

Ju fler rutor det finns, desto mindre ofta kommer token att återgå till sin startpunkt; så småningom, med ett oändligt antal möjliga kvadrater, det kommer aldrig tillbaka. För kvantpartikeln, detta betyder att det finns ett oändligt antal sätt på vilka sannolikheterna för de enskilda platserna kan kombineras för att bilda distributioner. Således, den kan inte längre bara uppta vissa diskreta energitillstånd, men alla möjliga i ett kontinuerligt spektrum.

Inget av detta är ny kunskap. Det finns, dock, varianter av spelet eller fysiska system där tärningen också kan innehålla nummer större än ett och mindre än minus ett, d.v.s. de tillåtna stegen per drag kan vara större – för att vara exakt, till och med oändligt stor. Detta förändrar situationen i grunden, som Defenu nu har kunnat visa:i dessa system, energispektrumet förblir alltid diskret, även när det finns oändliga rutor. Det betyder att då och då, partikeln kommer att återgå till sin startpunkt.

Märkliga fenomen

Denna nya teori förklarar vad forskare redan har observerat många gånger i experiment:system där interaktioner på lång räckvidd inträffar når inte en stabil jämvikt, utan snarare ett metastabilt tillstånd där de alltid återgår till sin utgångsposition. När det gäller galaxer, detta är en anledning till att de utvecklar spiralarmar snarare än att vara enhetliga moln. Tätheten av stjärnor är högre inuti dessa armar än utanför.

Ett exempel på kvantsystem som kan beskrivas med Defenus teori är joner, som är laddade atomer fångade i elektriska fält. Att använda sådana jonfällor för att bygga kvantdatorer är för närvarande ett av de största forskningsprojekten i världen. Dock, för att dessa datorer verkligen ska ge en stegvis förändring när det gäller beräkningskraft, de kommer att behöva ett mycket stort antal samtidigt fångade joner – och det är precis den punkt där den nya teorin blir intressant. "I system med hundra eller fler joner, du skulle se märkliga effekter som vi nu kan förklara, " säger Defenu, som är medlem i ETH Professor Gian Michele Grafs grupp. Hans kollegor inom experimentell fysik kommer varje dag närmare målet att kunna realisera sådana formationer. Och när de väl har kommit dit, det kan vara värt mödan att ta en kall öl med Defenu.