Nya experiment som använder instängda endimensionella gaser – atomer kylda till de kallaste temperaturerna i universum och begränsade så att de bara kan röra sig i en linje – passar med förutsägelserna i den nyligen utvecklade teorin om "generaliserad hydrodynamik". Kvantmekanik är nödvändig för att beskriva de nya egenskaperna hos dessa gaser. Att uppnå en bättre förståelse för hur sådana system med många partiklar utvecklas med tiden är en gräns för kvantfysiken. Resultatet kan avsevärt förenkla studiet av kvantsystem som har exciterats ur jämvikt. Förutom dess grundläggande betydelse, det kan så småningom informera utvecklingen av kvantbaserad teknik, som inkluderar kvantdatorer och simulatorer, kvantkommunikation, och kvantsensorer. En artikel som beskriver experimenten av ett team ledd av Penn State fysiker visas den 2 september, 2021 i tidningen Vetenskap .

Även inom klassisk fysik, där kvantmekanikens ytterligare komplexitet kan ignoreras, det är omöjligt att simulera rörelsen av alla atomer i en rörlig vätska. För att approximera dessa system av partiklar, fysiker använder hydrodynamiska beskrivningar.

"Grundtanken bakom hydrodynamik är att glömma atomerna och betrakta vätskan som ett kontinuum, sa Marcos Rigol, professor i fysik vid Penn State och en av ledarna för forskargruppen. "För att simulera vätskan, man slutar med att skriva kopplade ekvationer som är resultatet av att införa några begränsningar, såsom bevarande av massa och energi. Det här är samma typer av ekvationer som lösts, till exempel, att simulera hur luft flödar när du öppnar fönster för att förbättra ventilationen i ett rum."

Materia blir mer komplicerad om kvantmekaniken är inblandad, som är fallet när man vill simulera kvantmångkroppssystem som är ur jämvikt.

"Quantum många kroppssystem - som är sammansatta av många interagerande partiklar, såsom atomer – är kärnan i atomära, kärn, och partikelfysik, sa David Weiss, Erkänd professor i fysik vid Penn State och en av ledarna för forskargruppen. "Det brukade vara så att förutom i extrema gränser kunde man inte göra en beräkning för att beskriva kvantsystem med många kroppar som inte är i jämvikt. Det förändrades nyligen."

Förändringen motiverades av utvecklingen av ett teoretiskt ramverk känt som generaliserad hydrodynamik.

"Problemet med dessa kvantmångkroppssystem i en dimension är att de har så många begränsningar för sin rörelse att vanliga hydrodynamiska beskrivningar inte kan användas, ", sa Rigol. "Generaliserad hydrodynamik utvecklades för att hålla reda på alla dessa begränsningar."

Tills nu, generaliserad hydrodynamik hade endast tidigare testats experimentellt under förhållanden där styrkan av interaktioner mellan partiklar var svag.

"Vi försökte testa teorin ytterligare, genom att titta på dynamiken hos endimensionella gaser med ett brett spektrum av interaktionsstyrkor, " sade Weiss. "Experimenten är extremt väl kontrollerade, så resultaten kan jämföras exakt med förutsägelserna i denna teori.

Forskargruppen använder endimensionella gaser av interagerande atomer som initialt är inneslutna i en mycket ytlig fälla i jämvikt. De ökar sedan plötsligt djupet på fällan med 100 gånger, vilket tvingar partiklarna att kollapsa in i mitten av fällan, får deras kollektiva egenskaper att förändras. Under hela kollapsen, teamet mäter sina egenskaper exakt, som de sedan kan jämföra med förutsägelserna av generaliserad hydrodynamik.

"Våra mätningar matchade teorins förutsägelse över dussintals fälloscillationer, ", sa Weiss. "Det finns för närvarande inga andra sätt att studera kvantsystem som inte är i jämvikt under långa tidsperioder med rimlig noggrannhet, speciellt med mycket partiklar. Generaliserad hydrodynamik tillåter oss att göra detta för vissa system som det vi testade, men hur allmänt tillämplig den är måste fortfarande bestämmas."