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当量子粒子旋转时 它们仍然遵守普遍规律

有些事情是如此复杂,以至于完全无法精确计算它们。这包括大量子系统,其由许多粒子组成,特别是当它们不处于平衡状态但是迅速变化时。这样的例子包括当大的原子碰撞时在粒子加速器中发生的野生粒子间隙,或者在大爆炸之后的早期宇宙中,当粒子快速膨胀并随后冷却时。在TU Wien和海德堡大学,在不平衡过程的明显混乱中发现了非凡的规则。这表明这些过程可以分为普遍性类。属于同一类的系统在许多方面表现相同。这意味着可以使用易于处理的量子系统进行实验,以获得关于在实验中无法直接研究的其他系统的精确信息。这些发现后来发表在“自然”杂志上。

普遍规则

“从其他物理领域就可以看到普遍性课程,”TU Wien原子与亚原子物理研究所的JörgSchmiedmayer教授说。“当您研究相变时,例如非常接近熔点的材料,您可以使用非常通用的公式描述某些属性,例如比热和温度之间的关系。”熔化过程的微观细节无关紧要。非常不同的材料可以遵循相同的简单方程。“然而,令人震惊的是,这种普遍性也可以在远离平衡状态的量子系统中找到,”JörgSchmiedmayer说。“乍一看,你不会指望这样:为什么量子系统由许多极快变化的粒子组成,应遵守任何普遍规律?”然而,来自海德堡大学的JürgenBerges和Thomas Gasenzer小组的理论工作恰恰预测到了这一点。这些值得注意的预测现在已经被同时验证了两次 - 在TU Wien和海德堡。

快速和慢速的方向

在原子与亚原子物理研究所(TU Wien)的维也纳量子科学与技术中心(VCQ)的Schmiedmayer教授小组进行的实验正在使用一个非常特殊的原子阱。在原子芯片上,可以使用电磁场捕获和冷却数千个铷原子。“在这个过程中,我们生成了一个短而长的原子云,类似于雪茄,”该研究的第一作者塞巴斯蒂安·厄恩解释道。

最初,原子以相同的速度向各个方向移动。然而,原子阱可以在短(横向)方向上打开,这意味着那些在这个方向上移动特别快的原子会飞走。这仅留下在横向上具有相对低速度的原子。“在一个方向上的速度分布变化如此之快,以至于在此期间,沿着雪茄长轴的另一个方向的速度分布实际上根本没有变化,”Sebastian Erne说。“结果,我们产生了一个远离热平衡的状态。”碰撞和相互作用然后导致原子之间的能量交换,这被称为“热化”。“我们的实验表明,这种热化过程遵循普遍规律,并不依赖于任何细节,”JörgSchmiedmayer说。“无论我们如何开始热化,过渡总是可以用相同的公式来描述。”

对于海德堡的研究团队来说,这是一个类似的故事。在那里,他们也开始使用细长的原子云。然而,海德堡团队没有研究速度,而是研究粒子的自旋(固有角动量)。他们首先控制原子的自旋方向,然后观察由于原子之间的相互作用,这些方向如何随时间变化。这种变化可以使用与其他实验中相同的公式来描述:“在我们的案例中,物理情况与TU Wien实验的情况完全不同,但动力学也遵循通用的缩放定律,”MaximilianPrüfer解释说。海德堡(Heidelberg),海德堡出版物的第一作者。“我们已经找到了一个也遵循普遍性但又属于不同普遍性阶级的过程。这很好,因为它非常令人信服地证实了我们的理论,并表明我们确实在做某事 - 一种新的基本法则,”马库斯·奥伯哈勒说。 (也是海德堡)。

从一个系统学习他人

普遍性使人们有可能获得通常在实验室中无法获得的量子系统的重要信息。“没有人可以在实验室中重建大爆炸,但如果我们知道它所属的普遍性类别,我们就可以看到同一类别中的其他量子系统,并在大爆炸期间间接调查普遍属性,”Schmiedmayer解释道。“更好地理解远离平衡的多粒子量子系统的行为是当今物理学中最紧迫的问题之一。即使使用最好的超级计算机,也没有精确计算这些事件的机会,所以我们的普遍性类是一个主要的学习新事物的机会。“

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