Nuevos experimentos que utilizan gases unidimensionales atrapados (átomos enfriados a las temperaturas más frías del universo y confinados de modo que solo pueden moverse en línea) encajan con las predicciones de la teoría recientemente desarrollada de la "hidrodinámica generalizada". La mecánica cuántica es necesaria para describir las nuevas propiedades de estos gases. Lograr una mejor comprensión de cómo estos sistemas con muchas partículas evolucionan en el tiempo es una frontera de la física cuántica. El resultado podría simplificar enormemente el estudio de los sistemas cuánticos que se han excitado fuera del equilibrio. Además de su importancia fundamental, eventualmente podría informar el desarrollo de tecnologías basadas en la tecnología cuántica, que incluyen computadoras cuánticas y simuladores, comunicación cuántica, y sensores cuánticos. Un artículo que describe los experimentos de un equipo dirigido por físicos de Penn State aparece el 2 de septiembre, 2021 en la revista Ciencias .

Incluso dentro de la física clásica, donde se pueden ignorar las complejidades adicionales de la mecánica cuántica, es imposible simular el movimiento de todos los átomos en un fluido en movimiento. Para aproximar estos sistemas de partículas, los físicos usan descripciones hidrodinámicas.

"La idea básica detrás de la hidrodinámica es olvidarse de los átomos y considerar el fluido como un continuo, "dijo Marcos Rigol, profesor de física en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. "Para simular el fluido, uno termina escribiendo ecuaciones acopladas que resultan de imponer algunas restricciones, como la conservación de masa y energía. Estos son los mismos tipos de ecuaciones resueltos, por ejemplo, para simular cómo fluye el aire cuando abre las ventanas para mejorar la ventilación en una habitación ".

La materia se vuelve más complicada si se involucra la mecánica cuántica, como es el caso cuando se quiere simular sistemas cuánticos de muchos cuerpos que están fuera de equilibrio.

"Los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, que se componen de muchas partículas que interactúan, como los átomos, están en el corazón de los átomos, nuclear, y física de partículas, "dijo David Weiss, Profesor distinguido de física en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. "Solía ​​ser que, excepto en límites extremos, no se podía hacer un cálculo para describir sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuera de equilibrio. Eso cambió recientemente".

El cambio fue motivado por el desarrollo de un marco teórico conocido como hidrodinámica generalizada.

"El problema con esos sistemas cuánticos de muchos cuerpos en una dimensión es que tienen tantas limitaciones en su movimiento que no se pueden usar descripciones hidrodinámicas regulares, ", dijo Rigol." La hidrodinámica generalizada se desarrolló para realizar un seguimiento de todas esas limitaciones ".

Hasta ahora, La hidrodinámica generalizada solo se había probado anteriormente de forma experimental en condiciones en las que la fuerza de las interacciones entre las partículas era débil.

"Nos propusimos probar más la teoría, al observar la dinámica de gases unidimensionales con una amplia gama de fuerzas de interacción, "dijo Weiss." Los experimentos están extremadamente bien controlados, por lo que los resultados se pueden comparar con precisión con las predicciones de esta teoría.

El equipo de investigación utiliza gases unidimensionales de átomos en interacción que inicialmente están confinados en una trampa muy poco profunda en equilibrio. Luego, de repente, aumentan la profundidad de la trampa en 100 veces, que obliga a las partículas a colapsar en el centro de la trampa, provocando que sus propiedades colectivas cambien. A lo largo del colapso, el equipo mide con precisión sus propiedades, que luego pueden comparar con las predicciones de la hidrodinámica generalizada.

"Nuestras mediciones coincidieron con la predicción de la teoría en docenas de oscilaciones de trampa, ", dijo Weiss." Actualmente no hay otras formas de estudiar sistemas cuánticos fuera de equilibrio durante largos períodos de tiempo con una precisión razonable, especialmente con muchas partículas. La hidrodinámica generalizada nos permite hacer esto para algunos sistemas como el que probamos, pero aún debe determinarse su aplicación general ".