Algunas cosas son tan complicadas que es completamente imposible calcularlas con precisión. Esto incluye grandes sistemas cuánticos, que consisten en muchas partículas, particularmente cuando no están en un estado de equilibrio, pero cambian rápidamente. Tales ejemplos incluyen el infierno de partículas salvajeseso ocurre en los aceleradores de partículas cuando los átomos grandes chocan, o en el universo temprano, justo después del Big Bang, cuando las partículas se expanden rápidamente y posteriormente se enfrían.
En TU Wien y la Universidad de Heidelberg, se han detectado reglas notables en el aparente caos de los procesos de desequilibrio. Esto indica que dichos procesos pueden dividirse en clases de universalidad. Los sistemas que pertenecen a la misma clase se comportan de manera idéntica de muchas maneras. Esto significa que los experimentospuede llevarse a cabo con sistemas cuánticos que son fáciles de manejar, con el fin de obtener información precisa sobre otros sistemas que no pueden estudiarse directamente en el experimento. Estos hallazgos han sido publicados en la revista Naturaleza .
Reglas universales
"Las clases de universalidad son conocidas de otras áreas de la física", dice el profesor Jörg Schmiedmayer del Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien. "Cuando estudias las transiciones de fase, por ejemplo materiales muy cerca del punto de fusión, puedesdescribe ciertas propiedades utilizando fórmulas que son muy universales, como la relación entre el calor específico y la temperatura ". Los detalles microscópicos del proceso de fusión no importan. Materiales muy diferentes pueden obedecer las mismas ecuaciones simples.
"Sin embargo, es completamente sorprendente que la universalidad de este tipo también se pueda encontrar en sistemas cuánticos que están muy alejados de un estado de equilibrio", dice Jörg Schmiedmayer. "A primera vista, no esperarías esto: ¿por qué debería un cuántico?¿El sistema formado por muchas partículas que están cambiando extremadamente rápido obedece cualquier ley universal? "Sin embargo, el trabajo teórico de los grupos de Jürgen Berges y Thomas Gasenzer de la Universidad de Heidelberg predijo exactamente eso. Estas notables predicciones ahora se han verificado dos veces al mismo tiempo:TU Wien y en Heidelberg.
La dirección rápida y lenta
El experimento en el grupo del Prof. Schmiedmayer en el Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Viena VCQ en el Instituto de Física Atómica y Subatómica TU Wien está utilizando una trampa atómica muy especial. En un chip atómico, miles de átomos de rubidiopuede ser atrapado y enfriado utilizando campos electromagnéticos. "En este proceso, generamos una nube atómica con una dirección corta y larga, similar a un cigarro", explica Sebastian Erne, autor principal del estudio.
Inicialmente, los átomos se mueven en todas las direcciones a la misma velocidad. Sin embargo, la trampa de átomos se puede abrir en las direcciones cortas transversales, lo que significa que los átomos que se mueven particularmente rápido en esta dirección se van volando. Esto deja solo átomosque tienen una velocidad relativamente baja en las direcciones transversales.
"La distribución de velocidad en una dirección cambia tan rápidamente que durante este tiempo, la distribución de velocidad en la otra dirección, a lo largo del eje más largo del cigarro, prácticamente no cambia en absoluto", dice Sebastian Erne. "Como resultado, producimos un estado que está lejos del equilibrio térmico ". Las colisiones e interacciones conducen al intercambio de energía entre los átomos, lo que se conoce como" termmalización ".
"Nuestro experimento demuestra que el curso de esta termalización sigue una ley universal y no depende de ningún detalle", dice Jörg Schmiedmayer. "Independientemente de cómo comenzamos la termalización, la transición siempre se puede describir con la misma fórmula".
Fue una historia similar para el equipo de investigación de Heidelberg. Allí también, comenzaron con una nube atómica alargada. Sin embargo, el equipo de Heidelberg no estudió la velocidad sino el giro el momento angular intrínseco de las partículas.primero controló las direcciones de giro de los átomos y luego observó cómo estas direcciones cambian con el tiempo debido a las interacciones entre los átomos.
Este cambio puede describirse utilizando las mismas fórmulas que la del otro experimento: "En nuestro caso, la situación física es bastante diferente de la del experimento TU Wien, pero la dinámica también obedece a las leyes de escala universal", explica MaximilianPrüfer Heidelberg, primer autor de la publicación de Heidelberg. "Hemos encontrado un proceso que también obedece a la universalidad pero pertenece a una clase de universalidad diferente. Esto es genial porque confirma nuestras teorías de manera muy convincente y sugiere que realmente estamos en algo:- Una nueva ley fundamental ", dice Markus Oberthaler también Heidelberg.
Aprendiendo de un sistema sobre otros
La universalidad abre la posibilidad de obtener información importante sobre sistemas cuánticos que generalmente son inaccesibles en un laboratorio. "Nadie puede recrear el Big Bang en un laboratorio, pero si conocemos la clase de universalidad a la que pertenece, podemos ver otrosLos sistemas cuánticos de la misma clase e indirectamente investigan las propiedades universales durante el Big Bang ", explica Schmiedmayer." Una mejor comprensión del comportamiento de los sistemas cuánticos de muchas partículas que están lejos del equilibrio es uno de los problemas más apremiantes en la física actual. Incluso con elmejores supercomputadoras, no hay posibilidad de calcular con precisión estos eventos, por lo que nuestras clases de universalidad son una gran oportunidad para aprender algo nuevo "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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