ระบบควอนตัมที่ถูกเตะสามารถแสดงการเกิดขึ้นของการแปลแบบไดนามิก ซึ่งจำกัดการดูดซับพลังงาน และทำให้เกิดการพังทลายของความยศาสตร์ ตรงกันข้ามกับระบบขับเคลื่อนแบบคลาสสิก ซึ่งแสดงพฤติกรรมที่วุ่นวายและการสะสมพลังงานแบบกระจาย ยังไม่ชัดเจนว่าสถานะที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นแบบไดนามิกมีวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อมีการโต้ตอบระหว่างร่างกายจำนวนมาก
การศึกษาใหม่โดยนักฟิสิกส์ที่ UC Santa Barbara และมหาวิทยาลัยแมริแลนด์และที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันได้ค้นพบคำตอบสำหรับคำถามทางฟิสิกส์ที่มีมายาวนาน: การโต้ตอบระหว่างอนุภาคส่งผลต่อการแปลเชิงไดนามิกอย่างไร
คำถามเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ "หลายตัว" ซึ่งสำรวจลักษณะทางกายภาพของระบบควอนตัมที่มีข้อมูลหลายประเภท ปัญหาเกี่ยวกับร่างกายหลายอย่างเป็นหัวข้อของการวิจัยและการอภิปรายมานานหลายทศวรรษ ความซับซ้อนของระบบเหล่านี้ประกอบกับปรากฏการณ์ควอนตัมเช่น การทับซ้อน และ สิ่งกีดขวางนำไปสู่ความเป็นไปได้มากมาย ทำให้ยากต่อการตอบด้วยการคำนวณเพียงอย่างเดียว
โชคดีที่ปัญหานี้ไม่ได้อยู่นอกเหนือขอบเขตของการทดลองที่เกี่ยวข้องกับอะตอมและเลเซอร์ลิเธียมที่มีความเย็นจัด ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวไว้ ก สถานะควอนตัมแปลกๆ เกิดขึ้นเมื่อคุณมีปฏิสัมพันธ์ในความวุ่นวายและวุ่นวาย ระบบควอนตัม.
David Weld (ลิงก์ภายนอก) นักฟิสิกส์ทดลองที่ UCSB ซึ่งเชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์อะตอมเย็นพิเศษและการจำลองควอนตัมกล่าวว่า “มันเป็นสภาวะที่ผิดปกติ โดยมีคุณสมบัติซึ่งในแง่หนึ่งอยู่ระหว่างการทำนายแบบคลาสสิกและการทำนายควอนตัมแบบไม่โต้ตอบ”
“เมื่อพูดถึงพฤติกรรมแปลกๆ ที่ขัดกับสัญชาตญาณ โลกควอนตัมก็ไม่ทำให้ผิดหวัง ยกตัวอย่างเช่น ลูกตุ้มปกติซึ่งจะทำงานตามที่เราคาดหวังไว้อย่างแน่นอนเมื่อถูกพัลส์พลังงาน”
“ถ้าคุณเตะมันและเขย่ามันขึ้นลงเป็นระยะๆ ลูกตุ้มคลาสสิกจะดูดซับพลังงานอย่างต่อเนื่อง เริ่มกระดิกไปทั่วสถานที่ และสำรวจพื้นที่พารามิเตอร์ทั้งหมดอย่างวุ่นวาย”
ความวุ่นวายในระบบควอนตัมดูแตกต่างออกไป ความผิดปกตินี้อาจทำให้อนุภาคหยุดนิ่งได้ นอกจากนี้ ในขณะที่ลูกตุ้มควอนตัมที่ถูกเตะหรือ "โรเตอร์" อาจดูดซับพลังงานจากการเตะในขั้นต้น คล้ายกับลูกตุ้มคลาสสิกที่มีการเตะซ้ำ ๆ ระบบจะหยุดดูดซับพลังงาน และการกระจายโมเมนตัมจะหยุดนิ่งในสิ่งที่เรียกว่าสถานะที่มีการแปลแบบไดนามิก
สถานะเฉพาะที่นี้มีความคล้ายคลึงอย่างใกล้ชิดกับพฤติกรรมของของแข็งอิเล็กทรอนิกส์ที่ "สกปรก" ซึ่งความผิดปกติส่งผลให้เกิดอิเล็กตรอนที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ มันทำให้ของแข็งเปลี่ยนจากการเป็นโลหะหรือตัวนำ (อิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่) ไปเป็นฉนวน
ในขณะที่สถานะของการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นนี้มีการสำรวจมานานหลายทศวรรษในบริบทของอนุภาคเดี่ยวที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์กัน จะเกิดอะไรขึ้นในระบบที่ไม่เป็นระเบียบซึ่งมีอิเล็กตรอนที่มีปฏิสัมพันธ์หลายตัว คำถามเช่นนี้และแง่มุมที่เกี่ยวข้องของความสับสนวุ่นวายควอนตัมอยู่ในใจของ Weld และผู้ร่วมเขียนของเขา Victor Galitski นักทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ ในระหว่างการสนทนาเมื่อหลายปีก่อนเมื่อ Galitski ไปเยือนซานตาบาร์บาร่า
เวลเล่าว่า “วิกเตอร์ตั้งคำถามว่าจะเกิดอะไรขึ้น แทนที่จะเป็นระบบควอนตัมบริสุทธิ์ที่ไม่โต้ตอบซึ่งมีความเสถียรจากการรบกวน คุณมีโรเตอร์จำนวนหนึ่ง และพวกมันทั้งหมดสามารถชนและโต้ตอบและโต้ตอบซึ่งกันและกันได้ การแปลเป็นภาษาท้องถิ่นยังคงมีอยู่ หรือการโต้ตอบจะทำลายมันหรือไม่”
กาลิตสกี้กล่าวว่า “แท้จริงแล้ว มันเป็นคำถามที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับรากฐานของกลศาสตร์ทางสถิติและแนวคิดพื้นฐานของความยศาสตร์ โดยที่ระบบที่มีปฏิสัมพันธ์ส่วนใหญ่จะทำให้ความร้อนกลายเป็นสถานะสากลในที่สุด”
“ลองจินตนาการถึงการเทนมเย็นลงในกาแฟร้อนสักครู่ เมื่อเวลาผ่านไปและผ่านการโต้ตอบของอนุภาคในถ้วยของคุณ อนุภาคต่างๆ จะจัดเรียงตัวเองให้อยู่ในสภาวะสมดุลที่สม่ำเสมอซึ่งไม่บริสุทธิ์ทั้งคู่ กาแฟร้อน หรือนมเย็น พฤติกรรมประเภทนี้ - การระบายความร้อน - เป็นสิ่งที่คาดหวังจากระบบที่มีปฏิสัมพันธ์ทั้งหมด นั่นคือจนกระทั่งเมื่อประมาณ 16 ปีที่แล้ว เมื่อมีการโต้แย้งว่าความผิดปกติในระบบควอนตัมถูกคิดว่าส่งผลให้เกิดการแปลหลายตัว (MBL)”
“ปรากฏการณ์นี้ซึ่งได้รับการยอมรับจากรางวัล Lars Onsager เมื่อต้นปีนี้ เป็นเรื่องยากที่จะพิสูจน์ในทางทฤษฎีหรือเชิงทดลองอย่างเข้มงวด”
ทีมงานของ Weld มีเครื่องมือ เทคโนโลยี และความรู้ที่จะให้ความกระจ่างในเรื่องนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อะตอมลิเธียมที่มีความเย็นจัดพิเศษ 100,000 อะตอมถูกแขวนลอยอยู่ในคลื่นแสงในก๊าซในห้องทดลอง แต่ละอะตอมแทนโรเตอร์ควอนตัมที่พัลส์เลเซอร์สามารถจุดประกายได้
การใช้เครื่องมือเรโซแนนซ์ของ Feshbach นักวิทยาศาสตร์สามารถแยกอะตอมออกจากกันหรือทำให้พวกมันกระเด็นออกจากกันด้วยปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงตามอำเภอใจ ด้วยการหมุนลูกบิด นักวิจัยสามารถทำให้อะตอมลิเธียมเปลี่ยนจากการเต้นรำแบบเส้นไปจนถึงหลุม mosh และจับพฤติกรรมของพวกมัน
ตามที่คาดไว้ เมื่ออะตอมไม่สามารถมองเห็นกันและกัน พวกมันสามารถทนต่อการเตะซ้ำ ๆ จากเลเซอร์ได้จนถึงจุดหนึ่ง ซึ่งในเวลานั้นพวกมันจะหยุดเคลื่อนที่ในรูปแบบที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นแบบไดนามิก อย่างไรก็ตาม ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์เพิ่มปฏิสัมพันธ์ ไม่เพียงแต่สภาวะที่ถูกจำกัดหายไปเท่านั้น แต่ยังดูเหมือนว่าระบบกำลังดูดซับพลังงานจากการเตะซ้ำๆ อีกด้วย ซึ่งเป็นการจำลองพฤติกรรมคลาสสิกและวุ่นวาย
เวลด์กล่าวว่า “อย่างไรก็ตาม ในขณะที่ระบบควอนตัมที่ไม่เป็นระเบียบซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กำลังดูดซับพลังงาน มันก็ทำได้ช้ากว่าระบบคลาสสิกมาก”
“เราเห็นบางสิ่งบางอย่างที่สามารถดูดซับพลังงานได้ แต่ก็ไม่เหมือนกับที่ระบบแบบคลาสสิกสามารถทำได้ และดูเหมือนว่าพลังงานจะเพิ่มขึ้นโดยประมาณด้วยรากที่สองของเวลา แทนที่จะเป็นเส้นตรงตามเวลา ดังนั้นการโต้ตอบจึงไม่ทำให้มันคลาสสิก มันยังคงเป็นสถานะควอนตัมแปลก ๆ ที่แสดงการไม่แปลที่ผิดปกติ”
นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการที่เรียกว่าเสียงก้อง ในวิธีนี้ วิวัฒนาการทางจลน์จะวิ่งไปข้างหน้าแล้วถอยหลังเพื่อวัดว่าปฏิสัมพันธ์ทำลายความสามารถในการย้อนกลับของเวลาโดยตรงได้อย่างไร ตัวบ่งชี้ที่สำคัญอย่างหนึ่งของความสับสนวุ่นวายในควอนตัมคือการทำลายความสามารถในการย้อนกลับของเวลา
ผู้ร่วมเขียน Roshan Sajjad นักวิจัยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในทีมลิเธียมกล่าวว่า “วิธีคิดอีกวิธีหนึ่งเกี่ยวกับเรื่องนี้คือการถามว่า ระบบมีหน่วยความจำสถานะเริ่มต้นเท่าใดหลังจากผ่านไประยะหนึ่ง”
“หากไม่มีสิ่งรบกวนใดๆ เช่น แสงเล็ดลอดหรือการชนกันของแก๊ส ระบบควรจะสามารถกลับสู่สถานะเริ่มต้นได้หากฟิสิกส์ถอยหลัง ในการทดลองของเรา เราย้อนเวลาโดยการย้อนกลับระยะของการเตะ โดย 'ยกเลิก' ผลกระทบของการเตะปกติชุดแรก ส่วนหนึ่งของความหลงใหลของเราคือทฤษฎีที่ต่างกันทำนายพฤติกรรมที่แตกต่างกันเกี่ยวกับผลลัพธ์ของการตั้งค่าการโต้ตอบประเภทนี้ แต่ไม่มีใครทำการทดลองนี้เลย”
อเล็ค เกา ผู้เขียนหลักกล่าวว่า “แนวคิดคร่าวๆ ของความโกลาหลก็คือแม้ว่ากฎการเคลื่อนที่จะย้อนเวลากลับไปได้ แต่ระบบอนุภาคจำนวนมากก็มีความซับซ้อนและไวต่อการก่อกวนที่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะกลับไปสู่สถานะเริ่มต้น สิ่งที่บิดเบี้ยวก็คือในสถานะที่ไม่เป็นระเบียบ (ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่น) อย่างมีประสิทธิผล การโต้ตอบจะทำลายการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นบ้าง แม้ว่าระบบจะสูญเสียความสามารถในการย้อนเวลาก็ตาม”
สัจจาดกล่าวว่า “พูดง่ายๆ คุณคงคาดหวังว่าการโต้ตอบจะทำลายการย้อนเวลา แต่เราเห็นสิ่งที่น่าสนใจกว่า: การโต้ตอบเล็กน้อยช่วยได้! นี่เป็นหนึ่งในผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจยิ่งกว่าของงานนี้”
นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองเสริมซึ่งให้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันโดยใช้อะตอมที่หนักกว่าในบริบทหนึ่งมิติ
คุปตะกล่าวว่า “การทดลองที่ UW ดำเนินการในรูปแบบทางกายภาพที่ยากลำบากมาก โดยมีอะตอมที่หนักกว่า 25 เท่าซึ่งจำกัดให้เคลื่อนที่ในมิติเดียวเท่านั้น แต่ยังวัดการเติบโตของพลังงานที่อ่อนแอกว่าเชิงเส้นจากการเตะเป็นระยะ ซึ่งส่องแสงสว่างไปยังพื้นที่ที่ผลลัพธ์ทางทฤษฎีมี ขัดแย้งกัน”
เวลด์กล่าวว่า “การค้นพบเหล่านี้ เช่นเดียวกับผลลัพธ์ทางฟิสิกส์ที่สำคัญอื่นๆ ทำให้เกิดคำถามมากขึ้น และปูทางไปสู่การทดลองความสับสนวุ่นวายควอนตัมมากขึ้น โดยที่ความเชื่อมโยงอันโลภระหว่างคลาสสิกและ ฟิสิกส์ควอนตัม อาจถูกเปิดเผย”
กาลิตสกี้ออกความเห็นว่า “การทดลองของเดวิดเป็นความพยายามครั้งแรกในการตรวจสอบ MBL เวอร์ชันไดนามิกในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุมมากขึ้น แม้ว่าจะไม่สามารถตอบคำถามพื้นฐานได้อย่างชัดเจนไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง แต่ข้อมูลแสดงให้เห็นว่ามีบางอย่างแปลก ๆ เกิดขึ้น”
Weld กล่าวว่า, “เราจะเข้าใจผลลัพธ์เหล่านี้ในบริบทของงานจำนวนมากเกี่ยวกับการแปลหลายตำแหน่งในระบบสสารควบแน่นได้อย่างไร เราจะอธิบายลักษณะของสสารนี้ได้อย่างไร? เราสังเกตว่าระบบกำลังแยกส่วน แต่ไม่ใช่กับการพึ่งพาเวลาเชิงเส้นที่คาดไว้ เกิดอะไรขึ้นที่นั่น? เรากำลังรอคอยการทดลองในอนาคตเพื่อสำรวจคำถามเหล่านี้และคำถามอื่นๆ”
การอ้างอิงวารสาร:
- ดู Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. และคณะ การแยกส่วนแบบไดนามิกหลายร่างกายในก๊าซเย็นพิเศษมิติเดียวที่ถูกเตะ แนท. ฟิสิกส์. (2022). ดอย: 10.1038 / s41567-022-01721-W
