Sommige fysieke systemen, vooral in de kwantumwereld, zelfs na lange tijd geen stabiel evenwicht bereiken. Een ETH-onderzoeker heeft nu een elegante verklaring voor dit fenomeen gevonden.

Als je een flesje bier in een grote badkuip vol ijskoud water zet, het duurt niet lang voordat je kunt genieten van een koud biertje. Hoe dit werkt, ontdekten natuurkundigen meer dan honderd jaar geleden. Warmte-uitwisseling vindt plaats door de glazen fles totdat evenwicht is bereikt.

Echter, er zijn andere systemen, vooral kwantumsystemen, die geen evenwicht vinden. Ze lijken op een hypothetische bierfles in een bad van ijskoud water dat niet altijd en onvermijdelijk afkoelt tot de temperatuur van het badwater, maar bereikt eerder verschillende toestanden, afhankelijk van zijn eigen begintemperatuur. Tot nu, dergelijke systemen hebben natuurkundigen voor een raadsel gesteld. Maar Nicol Defenu, een postdoc aan het ETH Zürich Institute for Theoretical Physics, heeft nu een manier gevonden om dit gedrag elegant te verklaren.

Een meer verre invloed

specifiek, we hebben het over systemen waarin de afzonderlijke bouwstenen niet alleen hun directe buren beïnvloeden, maar ook objecten verder weg. Een voorbeeld is een melkwegstelsel:de zwaartekrachten van de afzonderlijke sterren en planetenstelsels werken niet alleen op de naburige hemellichamen, maar veel verder - zij het steeds zwakker - op de andere componenten van de melkweg.

Defenu's aanpak begint met het vereenvoudigen van het probleem tot een wereld met één dimensie. In het, er is een enkel kwantumdeeltje dat zich alleen op zeer specifieke locaties langs een lijn kan bevinden. Deze wereld lijkt op een bordspel zoals Ludo, waar een klein token van vierkant naar vierkant springt. Stel dat er een speldobbelsteen is waarvan de zijden allemaal gemarkeerd zijn met 'één' of 'min één', en stel dat de speler de dobbelsteen steeds opnieuw achter elkaar gooit. De token springt naar een naburig plein, en vanaf daar springt het terug of anders naar het volgende vierkant. Enzovoort.

De vraag is, Wat gebeurt er als de speler de dobbelsteen een oneindig aantal keren gooit? Als er maar een paar vierkanten in het spel zijn, het token keert zo nu en dan terug naar zijn startpunt. Echter, het is onmogelijk om precies te voorspellen waar het op een bepaald moment zal zijn, omdat de worpen van de dobbelsteen onbekend zijn.

Terug naar af

Het is een vergelijkbare situatie met deeltjes die onderworpen zijn aan de wetten van de kwantummechanica:er is geen manier om precies te weten waar ze zich op een bepaald moment bevinden. Echter, het is mogelijk om hun verblijfplaats vast te stellen met behulp van kansverdelingen. Elke verdeling is het resultaat van een andere superpositie van de kansen voor de afzonderlijke locaties en komt overeen met een bepaalde energietoestand van het deeltje. Het blijkt dat het aantal stabiele energietoestanden samenvalt met het aantal vrijheidsgraden van het systeem en dus exact overeenkomt met het aantal toegestane locaties. Het belangrijke punt is dat alle stabiele kansverdelingen bij het beginpunt niet nul zijn. Dus op een gegeven moment het fiche keert terug naar zijn startveld.

Hoe meer vierkanten er zijn, hoe minder vaak het token terugkeert naar zijn startpunt; eventueel, met een oneindig aantal mogelijke vierkanten, het zal nooit meer terugkeren. Voor het kwantumdeeltje, dit betekent dat er oneindig veel manieren zijn waarop de kansen van de individuele locaties kunnen worden gecombineerd om verdelingen te vormen. Dus, het kan niet langer alleen bepaalde discrete energietoestanden innemen, maar alle mogelijke in een continu spectrum.

Niets van dit alles is nieuwe kennis. Er zijn, echter, varianten van het spel of fysieke systemen waarbij de dobbelsteen ook getallen groter dan één en kleiner dan min één kan bevatten, d.w.z. de toegestane stappen per zet kunnen groter zijn - om precies te zijn, zelfs oneindig groot. Dit verandert de situatie fundamenteel, zoals Defenu nu heeft kunnen aantonen:in deze systemen, het energiespectrum blijft altijd discreet, zelfs als er oneindige vierkanten zijn. Dit betekent dat er af en toe het deeltje zal terugkeren naar zijn startpunt.

Eigenaardige verschijnselen

Deze nieuwe theorie verklaart wat wetenschappers al vele malen in experimenten hebben waargenomen:systemen waarin langeafstandsinteracties plaatsvinden, bereiken geen stabiel evenwicht, maar eerder een metastabiele toestand waarin ze altijd terugkeren naar hun oorspronkelijke positie. In het geval van sterrenstelsels, dit is een van de redenen waarom ze spiraalarmen ontwikkelen in plaats van uniforme wolken te zijn. De dichtheid van sterren is binnen deze armen hoger dan daarbuiten.

Een voorbeeld van kwantumsystemen die kunnen worden beschreven met de theorie van Defenu zijn ionen, dat zijn geladen atomen die gevangen zitten in elektrische velden. Het gebruik van dergelijke ionenvallen om kwantumcomputers te bouwen is momenteel een van de grootste onderzoeksprojecten ter wereld. Echter, voor deze computers om echt een stapsgewijze verandering te brengen in termen van rekenkracht, ze zullen een zeer groot aantal gelijktijdig opgesloten ionen nodig hebben - en dat is precies het punt waarop de nieuwe theorie interessant wordt. "In systemen met honderd of meer ionen, je zou eigenaardige effecten zien die we nu kunnen verklaren, " zegt Defenu, die lid is van de groep van ETH Professor Gian Michele Graf. Zijn collega's in de experimentele natuurkunde komen elke dag dichter bij het doel om dergelijke formaties te kunnen realiseren. En als ze er eenmaal zijn, het is misschien de moeite waard om een ​​koud biertje te drinken met Defenu.