Хотя системы, состоящие из множества взаимодействующих малых частиц, могут быть очень сложными и хаотичными, некоторые из них все же можно описать с помощью простых теорий. Относится ли это также к миру квантовой физики?

Исследовательская группа под руководством профессора Моники Айдельсбургер и профессора Иммануэля Блоха с физического факультета LMU исследовала этот вопрос, касающийся квантовых многочастичных систем, и обнаружила признаки того, что их можно описать макроскопически с помощью простых уравнений диффузии со случайным шумом. Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Physics.

«Если вы хотите описать поведение потока воды, вам не нужно начинать с физики молекул воды. Вместо этого вы можете сформулировать уравнения потока и проанализировать проблему на чисто макроскопической основе», — объясняет Джулиан Винанд, докторант в исследовательской группе Иммануэля Блоха и ведущий автор нового исследования.

Этот подход известен как гидродинамика. Однако, когда мы наблюдаем движение мелких частиц в воде, мы видим, что они не только переносятся потоком, но и совершают небольшие беспорядочные движения, известные как броуновское движение. Эти колебания являются прямым следствием случайных столкновений частиц с отдельными молекулами воды.

«Поскольку эти беспорядочные движения случайны, мы можем описать их как белый шум , и гидродинамика становится флуктуирующей гидродинамикой (FHD)», — говорит Винанд. «Примечательно, что эта теория FHD говорит нам, что при определенных обстоятельствах все поведение системы может определяться одной величиной: константой диффузии — даже если физика очень сложна и хаотична на микроскопическом уровне». Это значительно упрощает макроскопическое описание таких систем и устраняет необходимость заниматься описанием микроскопических взаимодействий частиц.

Применимо ли это также к квантовым системам?

Предполагается, что хаотические системы в целом могут быть описаны с помощью FHD. Но остается ли это верным и в какой степени для хаотических квантовых систем, остается в значительной степени открытым вопросом. Законы физики, определяющие взаимодействие квантовых частиц, принципиально отличаются от законов, управляющих классическими частицами, и характеризуются такими явлениями, как «неопределенность» и «запутанность», которые бросают вызов повседневной интуиции. В то же время квантовые системы еще сложнее рассчитать, и поэтому они могут особенно выиграть от описания FHD.

Исследовательская группа исследовала этот вопрос, изучая поведение хаотических многочастичных квантовых систем под микроскопом. Чтобы наблюдать динамику, группа подготовила квантовую систему ультрахолодных атомов цезия в оптических решетках в неравновесном начальном состоянии, а затем позволила ей свободно эволюционировать.

«Высокое разрешение нашей системы визуализации позволяет нам измерять не только среднюю плотность частиц в узлах решетки, но и их флуктуации», — говорит Винанд. «Таким образом, мы смогли измерить, как флуктуации и корреляции плотности растут с течением времени, и сделать вывод, что FHD описывает нашу систему как качественно, так и количественно». Исследователи считают это важным указанием на то, что хаотические квантовые системы, несмотря на их микроскопическую сложность, можно описать просто как макроскопический процесс диффузии — аналогичный броуновскому движению.