(Phys.org)—Sinds de begindagen van de kwantummechanica, men denkt dat de vervaldynamiek van onstabiele kwantumsystemen een exponentiële vervalwet volgt, net als degene die wordt gebruikt om radioactief verval en vele andere natuurlijke processen te beschrijven. De exponentiële wet in het kwantumdomein werd oorspronkelijk voorgesteld door George Gamow en later ontwikkeld door Eugene Wigner en Victor Weisskopf. Volgens deze wet is wanneer een monster van onstabiele atomen wordt gegeven, het aantal atomen dat waarschijnlijk in korte tijd vervalt, is evenredig met het aantal aanwezige atomen.

In de jaren daarna, echter, natuurkundigen hebben ontdekt dat afwijkingen van de exponentiële wet kunnen optreden in onstabiele kwantumsystemen, maar alleen in degenen die geïsoleerd zijn van de externe omgeving. Dit komt omdat geïsoleerde systemen vrij zijn van omgevingsdecoherentie, waardoor de kwantumvervalproducten zichzelf weer kunnen reconstrueren tot hun oorspronkelijke, vooraf vervallen staten. Bijgevolg, het verval is aanvankelijk langzamer dan voorspeld door de exponentiële wet, en in de latere stadia, het verval vertoont vaak een machtswet gedrag. Onderzoekers hebben eerder aangetoond dat dit niet-exponentiële verval kan worden gebruikt voor kwantumcontrole.

Nu in een nieuwe studie, natuurkundigen hebben theoretisch aangetoond dat kwantumvervalprocessen kunnen afwijken van de exponentiële vervalwet, niet alleen wanneer het systeem geïsoleerd is, maar zelfs wanneer het in contact staat met de externe omgeving. De resultaten suggereren dat een onstabiel kwantumsysteem kan vervallen en vervolgens terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat, zelfs in de aanwezigheid van omgevingsdecoherentie.

de fysici, geleid door Adolfo del Campo aan de Universiteit van Massachusetts, en inclusief collega's van de Universiteit van Baskenland en Aberystwyth University, hebben een artikel gepubliceerd over het bestaan ​​van niet-exponentieel kwantumverval in open systemen in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

"Eerdere studies hebben betoogd dat afwijkingen van de exponentiële wet afwezig waren in realistische 'open' kwantumsystemen, door hun contact met de omgeving (alles in de omgeving), " vertelde del Campo Phys.org . "Ons werk stelt het bestaan ​​vast van niet-exponentieel verval in open kwantumsystemen, en we hebben het gedemonstreerd in een paradigmatische setting, die van kwantum Brownse beweging."

Zoals de wetenschappers aantoonden, het kwantumverval van een systeem dat wordt gekenmerkt door kwantum Brownse beweging is het gevolg van het contact van het systeem met thermale baden. Ze ontdekten dat dit verval volledig wordt bepaald door afwijkingen van de exponentiële wet, en dat het mogelijk is om dit verval in het laboratorium waar te nemen.

De nieuwe bevindingen komen ook overeen met experimentele resultaten uit 2006, waarin natuurkundigen opmerkten dat afnemende luminescentie in een open systeem de exponentiële vervalwet schendt. In het algemeen, de nieuwe studie laat zien dat afwijkingen van exponentieel verval in open kwantumsystemen aanwezig zijn in veel voorkomende gevallen van kwantumverval.

Algemeen, de resultaten hebben mogelijke implicaties voor een groot aantal gebieden. Bijvoorbeeld, ze zullen naar verwachting leiden tot een beter begrip van kwantumdecoherentie en helpen bij het testen van theorieën die de ineenstorting van de kwantumgolffunctie oproepen. Ze hebben ook toepassingen voor het "vervormen" van kwantuminformatie, evenals voor kwantumkosmologie.

"De dynamiek van open kwantumsystemen - wat elk kwantumsysteem is dat is ingebed in een omgeving - is van belang voor een breed scala aan gebieden, variërend van kwantumchemische dynamica tot thermodynamica, " zei del Campo. "Onze resultaten zijn van toepassing op vrijwel elk gebied dat te maken heeft met open systeemdynamiek. In de fundamenten van de natuurkunde, ze bepalen de dynamische opkomst van het klassieke gedrag, degene die we waarnemen, van de onderliggende microscopische kwantumwereld."

De bevindingen suggereren ook verdere onderzoeksrichtingen.

"Voor zover we de kwantumtheorie beschouwen als de fundamentele beschrijving van de natuur, het bestaan ​​van terugkeergebeurtenissen om een ​​begintoestand van een systeem te herstellen is eigenlijk best grappig en schokkend, " zei del Campo. "En het is des te meer het geval wanneer dergelijke gebeurtenissen plaatsvinden in vergeetachtige omgevingen, zonder geheugen. Het betekent wel dat het mogelijk is dat een systeem in de loop van zijn evolutie terugkeert naar zijn toestand in het verre verleden.

"In de geest van sci-fi, als dezelfde aannames en wiskundige beschrijving zouden gelden in de macroscopische wereld, dat systeem kan net zo complex zijn als jij en ik. Nog, Ik denk niet dat we daarop moeten vertrouwen. De exponentiële wet biedt al een prachtige benadering om het verval van systemen zo klein als een radioactief atoom te beschrijven. Het is eerlijk om te zeggen dat de rol van de complexiteit van het systeem nog moet worden verduidelijkt, waardoor de studie van kwantumverval in veeldeeltjessystemen een opwindend gebied voor verder onderzoek wordt."

© 2017 Fys.org