التجارب الجديدة باستخدام غازات أحادية الأبعاد من الذرات الباردة للغاية تكشف عن توجد شيء مشترك في كيفية تغير الأنظمة الكمية المؤلفة من جزئيات عديدة مع مرور الوقت بعد تدفق كمية كبيرة من الطاقة تخرج النظام من التوازن. أظهر فريق من الفيزيائيين في جامعة بنسلفانيا أن هذه الغازات تستجيب فورًا، "تتطور" مع ميزات مشتركة بين جميع الأنظمة الكمية المؤلفة من جزئيات عديدة التي تخرج عن التوازن بهذه الطريقة. وتم نشر ورقة تصف التجارب في 17 مايو 2023 في مجلة نيتشر.

"شهدت الفيزياء تقدمًا كبيرًا على مدى القرن الماضي فيما يتعلق بسلوك الأنظمة الكمية المؤلفة من جزئيات عديدة"، قال ديفيد وايس، أستاذ الفيزياء المميز في جامعة بنسلفانيا وأحد قادة فريق البحث. "على الرغم من التنوع المدهش في الظواهر المختلفة في الأنظمة الكمية المؤلفة من جزئيات عديدة، مثل التوصيل الفائق والتوصيل السوائل والمغناطيسية، تم اكتشاف أن سلوكها بالقرب من التوازن في كثير من الأحيان متشابه بما فيه الكفاية حتى يمكن تصنيفها ضمن مجموعة صغيرة من الفئات العالمية. على العكس من ذلك، فإن سلوك الأنظمة التي تكون بعيدة عن التوازن لم يتم وصفه بالوصفات الموحدة إلا بعدة أوصاف قليلة جدًا."

تشكل هذه الأنظمة الكمية المؤلفة من جزئيات عديدة مجموعات من الجسيمات مثل الذرات التي تتحرك بحرية بالنسبة لبعضها البعض، كما شرح وايس. عندما تكون مجموعة الجسيمات كثيفة وباردة بما يكفي، والأمر يتفاوت وفقًا للسياق، فإن الميكانيكا الكمية - التي تصف نظرية الأساس لخصائص الطبيعة على المستوى الذري أو الجزيئي الدقيق - مطلوبة لوصف دينامياتها.

تتم إنشاء الأنظمة التي تخرج بشكل كبير عن التوازن بشكل روتيني في معجلات الجسيمات عندما تتصادم أزواج من الأيونات الثقيلة بسرعات قريبة من سرعة الضوء. تنتج التصادمات بلازما - تتألف من الجسيمات النووية الدقيقة "الكواركات" و "الجلويونات" - تظهر في وقت مبكر جدًا في التصادم ويمكن وصفها بنظرية هيدرودينامية - مشابهة للنظرية الكلاسيكية المستخدمة لوصف تدفق الهواء أو سوائل أخرى متحركة - قبل أن تصل البلازما إلى التوازن الحراري المحلي. ولكن ماذا يحدث في الوقت القصير المدهش قبل أن يتمكن من استخدام نظرية هيدرودينامية؟

استفاد الباحثون في جامعة بنسلفانيا من خاصيتين مميزتين في غازات أحادية الأبعاد، حيث يتم تحجيمها وتبريدها بالقرب من الصفر المطلق باستخدام الليزرات، من أجل فهم تطور النظام بعد خروجه عن التوازن، ولكن قبل أن يمكن تطبيق الديناميكا الهيدرودينامية. الخاصية الأولى هي التجريبية. يمكن إيقاف التفاعلات في التجربة فجأة في أي لحظة بعد دخول الطاقة، لذا يمكن مراقبة وقياس تطور النظام بشكل مباشر. على وجه التحديد، لاحظوا تطور توزيع الزخم في البعد الواحد بعد تغير مفاجئ في الطاقة.

"الذرات شديدة البرودة في الفخاذات المصنوعة من الليزرات تسمح بالتحكم والقياسات بدقة كبيرة حتى يمكن أن تسلط الضوء على الفيزياء العديدية المؤلفة من جزئيات"، وفقًا لوايس. "من الرائع أن الفيزياء الأساسية التي تتميز بها اصطدامات أيونات الجسيمات الثقيلة النسبية، والتي تعتبر بعض أكثر التصادمات طاقةً في المعمل، تظهر أيضًا في التصادمات ذات الطاقة أقل بكثير التي نقوم بها في معملنا."

الخاصية الثانية هي النظرية. يمكن وصف مجموعة من الجزيئات التي تتفاعل مع بعضها بطريقة معقدة على أنها مجموعة من "الجسيمات شبه الجسيمية" التي تتفاعل بطريقة أبسط بكثير. على عكس معظم الأنظمة، يكون وصف الجسيمات شبه الجسيمية للغازات أحادية الأبعاد دقيقًا رياضيًا. يسمح هذا الوصف بوصف واضح جدًا لسبب توزيع الطاقة بسرعة عبر النظام بعد خروجه عن التوازن.

"تشير قوانين الفيزياء المعروفة، بما في ذلك قوانين الحفظ، في هذه الغازات الأحادية الأبعاد إلى أن الوصف الهيدرودينامي سيكون دقيقًا بمجرد انتهاء هذا التطور الأولي"، وفقًا لريغول. "تظهر التجربة أن هذا يحدث قبل الوصول إلى التوازن المحلي. توفر التجربة والنظرية معًا مثالًا نموذجيًا لعملية التهيدرو-دينامية. نظرًا لسرعة حدوث عملية التهيدرو-دينامية، يمكن تطبيق الفهم الأساسي بشأن الجسيمات شبه الجسيمية على أي نظام كمي عديد الأجسام يتم إضافة كمية كبيرة جدًا من الطاقة إليه." بالإضافة إلى وايس وريغول، يتضمن فريق البحث في جامعة بنسلفانيا يوان لي، وييتشنغ زانغ، وسارانغ جوبالاكريشن.

مخلص بحث منشور في نيتشر "" 2023. للمزيد راجع.

Yuan Le et al, Observation of hydrodynamization and local prethermalization in 1D Bose gases, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05979-9