Физики объяснили, почему некоторые квантовые системы не достигают равновесия
В некоторых квантовых системах равновесие не достигается никогда. Долгое время физики не могли объяснить это явление, но довольно элегантная теория, имеющая аналогии с настольной игрой, смогла это сделать
Если вы достанете из холодильника напиток и поставите его на стол в комнате, спустя какое-то время температура жидкости будет равна комнатной. Это значит, что между двумя системами установилось тепловое равновесие. В макромире такой закон равновесия работает во всех ситуациях — если не совершать работу, пытаясь сохранить систему в неравновесном состоянии, она через какое-то время придет к своему балансу.
Однако существуют квантовые, в которых за обозримый промежуток времени равновесного состояния не достигается. Это похоже на то, как если бы вы достали из холодильника стакан с напитком, а он вдруг начал нагреваться до температуры выше или ниже комнатной в зависимости от своего начального состояния. До сих пор такие системы озадачивали физиков.
Ученый Цюрихского института теоретической физики теперь нашел способ элегантно объяснить это поведение. Подход исследователя начинается с рассмотрения одномерной системы. В ней есть единственная квантовая частица, которая может находиться только в строго ограниченных положениях вдоль линии. Это похоже на игру, в которой фигурка движется вдоль прямой на столько клеток, сколько показал бросок кубика. Предположим, что есть игральный кубик, все стороны которого помечены как «один» или «минус один», и предположим, что игрок бросает его снова и снова. Фигурка перескочит на соседний квадрат, а оттуда либо вернется обратно, либо перейдет на следующий. И так далее.
Вопрос в том, что произойдет, если игрок бросит кубик бесконечное количество раз? Если в игре всего несколько квадратов, то фигурка будет время от времени возвращаться в исходную точку. Однако невозможно точно предсказать, где он будет в любой момент времени, потому что броски кубика неизвестны. Аналогичная ситуация и с частицами, которые подчиняются законам квантовой механики: невозможно точно знать, где они находятся в данный момент времени. Однако их местонахождение можно установить с помощью вероятностных распределений.
Каждое распределение является результатом различной суперпозиции вероятностей для отдельных мест и соответствует определенному энергетическому состоянию частицы. Получается, что число устойчивых энергетических состояний совпадает с числом степеней свободы системы и, следовательно, точно соответствует числу допустимых положений. Важным моментом является то, что все стабильные распределения вероятностей в начальной точке не равны нулю. Таким образом, в какой-то момент фигурка возвращается в свое начальное местоположение.
Для квантовой частицы это означает, что существует бесконечное число способов, которыми вероятности отдельных местоположений могут быть объединены для формирования распределений. Таким образом, он может занимать уже не только определенные дискретные энергетические состояния, но и все возможные в непрерывном спектре. Эта новая теория объясняет то, что ученые уже много раз наблюдали в экспериментах: системы, в которых происходят дальнодействующие взаимодействия, не достигают устойчивого равновесия, а скорее метастабильного состояния, в котором они всегда возвращаются в исходное положение.
Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.