Квантовый хаос раскрыт?

Исследования продемонстрировали фундаментально новые свойства – что называется хаотическим поведением в квантовой системе – в магнитных ‘спинах’ ядер или центрах атомов замороженного ксенона, который в обычном состоянии является газом.

 

Руководитель исследования Брайан Саам, адъюнкт-профессор физики и декан Научного колледжа Университета Юты.

 

Квантовая механика – которая описывает поведение молекул, атомов электронов и других субатомных частиц – играет ключевую роль в понимании того, как работает электроника, как ведут себя все виды интересных материалов, как ведёт себя свет при взаимодействии с оптическим волокном.

 

 

Так же как атомные ядра и движущиеся по их орбите электроны могут иметь электрические заряды, они имеют ещё одно свойство, называющееся ‘спин’. Спин в пределах атомного ядра или электрона подобен вращающемуся стержневому магниту, который направлен либо вверх, либо вниз.

 

Саам и аспирант Стивен Морган поместили атомы ксенона под действие мощного магнитного поля, лазерного луча и пульсации радиоволн, так, чтобы спины были установлены в четырёх разных конфигурациях в четырёх образцах замороженного ксенона, каждый из которых состоял из 100 миллиардов миллиардов томов [дважды миллиард верно].

 

Несмотря на разные изначальные конфигурации, 'танцы' ксеноновых спинов развивались таким образом, что в конечном итоге становились синхронными друг с другом, как показал ядерный магнитный резонанс или NMR. На это ушло несколько тысяч секунд – что физики всерьёз называют 'продолжительным поведением'.

 

В качестве аналогии, представьте миллиарды людей в огромном незнакомом городе. Они начинают ходить туда и обратно в разных направлениях, почти не разговаривая друг с другом. И вот, в конечном итоге они идут в одном направлении.

 

Такое поведение в ядерных спинах было предсказано в 2005 третьим автором данных исследований, физиком Борисом Файном из Университета Гейдельберга в Германии. Файн основывал свои прогнозы на адаптации теории хаоса и квантовой теории.

 

 

Преобразование беспорядка в порядок ядерными спинами атомов ксенона указывает на теорию хаоса, которая, несмотря на общепринятое понятие, не подразумевает полное разупорядочение. Напротив, теория хаоса описывает, как погода, определённые химические реакции, планетарные орбиты, субатомные частицы и другие динамические системы изменяются со временем, при этом изменения высокочувствительны к начальным условиям. Другими словами, если есть [хаотическая] система, характеризующаяся крайней беспорядочностью, она парадоксально демонстрирует упорядоченное поведение после определённого количества времени. Саам своим экспериментом доказал это на практике.

 

 

Чувствительность к начальным условиям широко известна как ‘эффект бабочки’, основанный на выдуманном примере того, как взмах крыльев бабочки в Южной Америке вызывает незначительные атмосферные изменения, которые в итоге преобразовываются в торнадо в Техасе.

 

Саам утверждает, что теория хаоса способна делать прогнозы об очень сложных движениях множества взаимодействующих между собой частиц. Математическое определение хаоса было впервые описано в 1890-х. теория хаоса была разработана в 1960-х, на основе классической физики, описанной в конце 1600-х Сэром Исааком Ньютоном. Согласно классической физике, можно точно определить движение, скорость и местоположение любой частицы в любое время.

 

Напротив, квантовая механика придерживается иной позиции: когда вещи принимают масштабы атомов, наши заявления о способности поместить определённую частицу в определённое место с определённой скоростью в определённое время становятся расплывчатыми. Таким образом, скорость и местоположение частицы – вопрос вероятности, а 'вероятность – это реальность', - считает Саам.