Se han detectado reglas notables en el aparente caos de los procesos de desequilibrio. Los diferentes sistemas se comportan de manera idéntica de muchas maneras, si pertenecen a la misma "clase de universalidad". Esto significa que se pueden realizar experimentos con sistemas cuánticos que son fáciles de manejar para obtener información precisa sobre sistemas que no se pueden estudiar directamente en el experimento, como el Big Bang.

Algunos fenómenos son tan complicados que es imposible calcularlos con precisión. Esto incluye grandes sistemas cuánticos, que constan de muchas partículas, particularmente cuando no están en un estado de equilibrio, pero cambiando rápidamente. Tales ejemplos incluyen el infierno de partículas salvajes que ocurre en los aceleradores de partículas cuando chocan átomos grandes, o condiciones justo después del Big Bang, cuando las partículas se expandieron rápidamente y luego se enfriaron.

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 tales procesos se pueden dividir en clases de universalidad. Los sistemas que pertenecen a la misma clase se comportan de manera idéntica de muchas maneras. Esto significa que se pueden realizar experimentos con sistemas cuánticos fáciles de manejar para obtener información precisa sobre otros sistemas que no se pueden estudiar directamente en el experimento. Desde entonces, estos hallazgos se han publicado en la revista Naturaleza .

Reglas universales

"Las clases de universalidad se conocen 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 cercanos al punto de fusión, puedes describir ciertas propiedades usando 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 asombroso 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, usted no esperaría esto:¿por qué un sistema cuántico formado por muchas partículas que están cambiando extremadamente rápidamente obedecería las leyes universales? ”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:en TU Wien y en Heidelberg.

La dirección rápida y la lenta

El experimento en el grupo del profesor Schmiedmayer en el Centro de Viena para la Ciencia y Tecnología Cuántica (VCQ) en el Instituto de Física Atómica y Subatómica (TU Wien) utiliza una trampa de átomos muy especial. En un chip atómico Se pueden atrapar y enfriar miles de átomos de rubidio mediante campos electromagnéticos. "En este proceso, generamos una nube de átomos con una dirección corta y una larga, similar a un cigarro, "explica Sebastian Erne, el autor principal del estudio.

Inicialmente, los átomos se mueven en todas direcciones a la misma velocidad. La trampa atómica puede, sin embargo, abrirse en las direcciones cortas (transversales), lo que significa que los átomos que se mueven particularmente rápido en esta dirección vuelan. Esto deja atrás solo átomos que tienen una velocidad relativamente baja en las direcciones transversales.

"La distribución de la 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 y las interacciones conducen al intercambio de energía entre los átomos, que se conoce como termalización.

"Nuestro experimento demuestra que el curso de esta termolización 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. Ahí también, empezaron con una nube de átomos alargada. Sin embargo, el equipo de Heidelberg no estudió la velocidad sino el giro (el momento angular intrínseco) de las partículas. Primero controlaron las direcciones de giro de los átomos y luego observaron cómo estas direcciones cambian con el tiempo debido a las interacciones entre los átomos.

Este cambio se puede describir utilizando las mismas fórmulas que la del otro experimento:"En nuestro caso, la situación física es bastante diferente a la del experimento TU Wien, pero la dinámica también obedece a leyes de escala universales, "explica Maximilian Prüfer (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).

Aprender de un sistema sobre otros

La universalidad abre la posibilidad de obtener información importante sobre sistemas cuánticos que normalmente 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 observar otros sistemas cuánticos de la misma clase e investigar indirectamente 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 urgentes de la física actual. Incluso con las mejores 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 ".