Er zijn opmerkelijke regels ontdekt in de ogenschijnlijke chaos van onevenwichtige processen. Verschillende systemen gedragen zich in veel opzichten identiek, als ze tot dezelfde 'universitaire klasse' behoren. Dit betekent dat experimenten kunnen worden uitgevoerd met kwantumsystemen die gemakkelijk te hanteren zijn om nauwkeurige informatie te verkrijgen over systemen die niet direct in het experiment kunnen worden bestudeerd, zoals de oerknal.

Sommige verschijnselen zijn zo ingewikkeld dat het onmogelijk is om ze precies te berekenen. Dit omvat grote kwantumsystemen, die uit veel deeltjes bestaan, vooral wanneer ze niet in een evenwichtstoestand zijn, maar snel veranderen. Dergelijke voorbeelden zijn onder meer het inferno van wilde deeltjes dat optreedt in deeltjesversnellers wanneer grote atomen botsen, of omstandigheden net na de oerknal, toen deeltjes snel uitzetten en vervolgens afkoelden.

Aan de TU Wien en de Universiteit van Heidelberg, opmerkelijke regels zijn ontdekt in de schijnbare chaos van onevenwichtige processen. Dit geeft aan dat dergelijke processen kunnen worden onderverdeeld in universaliteitsklassen. Systemen die tot dezelfde klasse behoren, gedragen zich in veel opzichten identiek. Dit betekent dat experimenten kunnen worden uitgevoerd met kwantumsystemen die gemakkelijk te hanteren zijn om nauwkeurige informatie te verkrijgen over andere systemen die niet direct in het experiment kunnen worden bestudeerd. Deze bevindingen zijn inmiddels gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Universele regels

"Universiteitsklassen zijn bekend uit andere gebieden van de natuurkunde, " zegt prof. Jörg Schmiedmayer van het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica aan de TU Wien. "Als je faseovergangen bestudeert, bijvoorbeeld, materialen zeer dicht bij het smeltpunt, je kunt bepaalde eigenschappen beschrijven met formules die heel universeel zijn, zoals de relatie tussen de soortelijke warmte en de temperatuur." De microscopische details van het smeltproces doen er niet toe. Heel verschillende materialen kunnen aan dezelfde eenvoudige vergelijkingen voldoen.

"Het is echter volkomen verbazingwekkend dat dit soort universaliteit ook kan worden gevonden in kwantumsystemen die ver verwijderd zijn van een evenwichtstoestand, " zegt Jörg Schmiedmayer. "Op het eerste gezicht je zou dit niet verwachten:waarom zou een kwantumsysteem dat bestaat uit vele deeltjes die extreem snel veranderen, aan universele wetten gehoorzamen?" Desalniettemin, theoretisch werk van Jürgen Berges en Thomas Gasenzer's groepen van de Universiteit van Heidelberg voorspelden precies dat. Deze opmerkelijke voorspellingen zijn nu twee keer tegelijkertijd geverifieerd:aan de TU Wien en in Heidelberg.

De snelle en de langzame richting

Het experiment in de groep van prof. Schmiedmayer van het Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) van het Institute of Atomic and Subatomic Physics (TU Wien) maakt gebruik van een heel speciale atoomval. Op een atoomchip, duizenden rubidium-atomen kunnen worden gevangen en gekoeld met behulp van elektromagnetische velden. "In dit proces, we genereren een atoomwolk met een korte en een lange richting, vergelijkbaar met een sigaar, " legt Sebastian Erne uit, de hoofdauteur van de studie.

aanvankelijk, de atomen bewegen met dezelfde snelheid in alle richtingen. De atoomval kan, echter, worden geopend in de korte (dwars)richtingen, wat betekent dat die atomen die bijzonder snel in deze richting bewegen, wegvliegen. Hierdoor blijven alleen atomen over met een relatief lage snelheid in de dwarsrichtingen.

"De snelheidsverdeling in één richting wordt zo snel veranderd dat gedurende deze tijd, de snelheidsverdeling in de andere richting, langs de langere as van de sigaar, verandert vrijwel niets, ", zegt Sebastian Erne. "Als resultaat, we produceren een toestand die ver verwijderd is van het thermisch evenwicht." Botsingen en interacties leiden dan tot energie-uitwisseling tussen de atomen, wat wordt aangeduid als thermalisatie.

"Ons experiment toont aan dat het verloop van deze thermalisatie een universele wet volgt en niet afhankelijk is van details, " zegt Jörg Schmiedmayer. "Ongeacht hoe we begonnen met de thermalisatie, de overgang kan altijd met dezelfde formule worden beschreven."

Het was een soortgelijk verhaal voor het onderzoeksteam uit Heidelberg. Daar ook, ze begonnen met een langwerpige atoomwolk. Echter, het Heidelberg-team bestudeerde niet de snelheid, maar de spin (het intrinsieke impulsmoment) van de deeltjes. Ze controleerden eerst de spinrichtingen van de atomen en observeerden vervolgens hoe deze richtingen in de loop van de tijd veranderen als gevolg van interacties tussen de atomen.

Deze verandering kan worden beschreven met dezelfde formules als die uit het andere experiment:"In ons geval, de fysieke situatie is heel anders dan die van het TU Wien-experiment, maar de dynamiek gehoorzaamt ook aan universele schaalwetten, " legt Maximilian Prüfer (Heidelberg) uit, eerste auteur van Heidelberg publicatie.

"We hebben een proces gevonden dat ook gehoorzaamt aan de universaliteit, maar tot een andere universaliteitsklasse behoort. Dit is geweldig omdat het onze theorieën zeer overtuigend bevestigt en suggereert dat we echt iets op het spoor zijn - een nieuwe, fundamentele wetgeving, " zegt Markus Oberthaler (ook Heidelberg).

Van het ene systeem leren over het andere

Universaliteit vergroot de mogelijkheid om belangrijke informatie te verkrijgen over kwantumsystemen die normaal gesproken ontoegankelijk zijn in een laboratorium. "Niemand kan de oerknal nabootsen in een laboratorium, maar als we de universaliteitsklasse kennen waartoe het behoort, we kunnen naar andere kwantumsystemen in dezelfde klasse kijken en indirect universele eigenschappen onderzoeken tijdens de oerknal, ", legt Schmiedmayer uit. "Een beter begrip van het gedrag van kwantumsystemen met veel deeltjes die verre van evenwicht zijn, is een van de meest urgente problemen in de natuurkunde van vandaag. Zelfs met de beste supercomputers, er is geen kans om deze gebeurtenissen precies te berekenen, en dus zijn onze lessen universaliteit een grote kans om iets nieuws te leren."