Тамуючи спрагу до універсальності

Хоча ми живемо в світі постійного руху, фізики в основному зосереджують свою увагу на системах в стані рівноваги або близьких до стану рівноваги, пише видання Nature.
Протягом минулих десятиліть, проте, інтерес до нерівноважних систем збільшився. Його, зокрема, підштовхнули досягнення в квантовій механіці, які все більше перетворюють її з фундаментальної науки на практичну технологію. Тому перед фізиками постало важливе питання: яким підпорядковуються принципам нерівноважні квантові системи? Такі автори, як Prufer et al., Eigen et al. і Erme et al. повідомляють в Nature про експерименти, які дозволяють частково відповісти на це питання. Їх дослідження вперше доводять, що ультрахолодные атомні середовища, які далекі від рівноважного стану, демонструють властивість універсальності, у якій вимірювані експериментальні параметри стають незалежними від мікроскопічних деталей.
Дослідники використовували газ з атомів рубідію або калію, який охолодили до температури, близької до абсолютного нуля. При дуже низьких температурах ці атоми знаходяться в квантовому стані, який називається конденсатом Бозе-Ейнштейна. Далі вони різко змінили параметри системи — процес, який називається “струшуванням”. Нагадуючи мультиплікаційного персонажа, який раптом усвідомлює, що опинився над прірвою, струшування ініціює процес далекий від рівноважного стану.
Такі струшування неважко собі уявити. В голову, проте, не вкладається те, що відбувається згодом. Подумайте про всі змінні, які можуть бути пов’язані з такими експериментами: коливання енергії лазерів, варіації температури лабораторії, мікроскопічні деталі атомних взаємодій тощо. Вчені виявили, що динаміка експериментальних зразків — незважаючи на те, що атоми в них були далекі від рівноважного стану, — була незалежною від усіх цих змінних.
Eigen et al., досягли цієї універсальності, ретельно усуваючи всі змінні в експерименті, крім двох — щільності атомного газу і довжини розсіяння. Другий параметр описує, наскільки атоми можуть наближатися один до одного, не взаємодіючи. Далі автори експерименту зробили ще один крок вперед і усунули залежність довжини розсіяння від цих змінних.
Щоб отримати вихідний конденсат, автори додали довжині розсіювання значення “0”, тобто з допомогою магнітного поля “вимкнули” взаємодії між атомами. Згодом вони “струсили” довжину розсіювання до нескінченності, знову використавши магнітне поле. Якщо щільність газу збільшити, наприклад, у вісім разів, то простір між атомами збільшиться вдвічі. Якщо збільшити масштаб атомної системи на ці дві величини, то вона буде такою ж, як і перед тим, як її щільність збільшили, адже довжини розсіяння при значеннях “0” і “∞“ не змінилися.
Змінюючи щільність газу, Eigen і колеги спостерігали, що експериментальна динаміка не залежить від щільності після масштабування як часу, так і простору. Вони також змінили температуру і встановили, що принцип універсальності діє і тоді, коли враховується ще одна змінна, а саме масштаб довжини, при якому газ проявляє квантово-механічне поведінку.
Prufer et al., виявили зовсім іншу форму універсальності. Ззовні експерименти двох груп здаються дуже різними. Erme і колеги почали з тривимірного газу, який в результаті струшування стає одновимірним і проаналізували щільність газу як функцію часу і простору. Prufer et al. досліджено його властивості тільки в одному вимірі, коли струшування змінює спини атомів. Але результати, до яких прийшли дві команди, дивно схожі: універсальність, яку вони спостерігають, обумовлена явищем, яке вони називають нетермальной фіксованого точної (non-thermal fixed point).
Разом ці дослідження роблять великий крок у розумінні динаміки нерівноважних квантових систем. Однак розуміння принципу універсальності ще далеко від повного. Без відповіді, зокрема, залишаються питання про те, які можливі класи нетермальных фіксованих точок? Що настає при екстремально високих або низьких енергетичних рівнях? Якщо на ці питання вдасться відповісти, то, можливо, нерівноважні квантові системи займуть таке ж місце в лексиконі фізиків, як і рівноважні.