Manche Quantensysteme weisen niemals ein Gleichgewicht auf. Physiker versuchen seit Jahren, es zu verstehen
Wenn Sie ein kaltes Getränk aus extrahierenKühlschrank und stellen Sie den Behälter damit auf den Tisch, dann nimmt die Flüssigkeit nach einiger Zeit Raumtemperatur an. Das heißt, zwischen der Flüssigkeit und dem Raum stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein. Auf Makroebene wird diese Regel immer eingehalten, aber wenn Quantengesetze ins Spiel kommen, passiert manchmal etwas Seltsames.
Forschungstext
Instabile Quantensysteme kommen wiederum nicht ins Gleichgewicht. Es ist, als würde ein Glas Wasser aus dem Kühlschrank bei Raumtemperatur abkühlen.
Nicolo Defenou, Wissenschaftler am Zürcher Institut für Theoretische Physik, hat nun einen Weg gefunden, dieses Verhalten elegant zu erklären.
Er betrachtete ein eindimensionales System, in dem esdas einzige Quantenteilchen, das nur an streng begrenzten Positionen entlang der Linie sein kann. Dies ist vergleichbar mit einem Spiel, bei dem sich die Figur entlang einer geraden Linie für so viele Felder bewegt, wie der Würfelwurf anzeigt. Zum Beispiel, dass es einen Würfel gibt, dessen alle Seiten mit "eins" oder "minus eins" markiert sind, und angenommen, dass der Spieler ihn einmal, zweitens, drittens würfelt. Die Figur bewegt sich auf ein benachbartes Feld und geht von dort entweder zurück oder zum nächsten. Usw.
Die Frage ist jedoch:Was passiert, wenn der Spieler unendlich oft würfelt? Wenn es nur wenige Felder im Spiel gibt, kehrt es von Zeit zu Zeit zu seinem Ausgangspunkt zurück. Aber es ist völlig unmöglich vorherzusagen, wo er sich zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet – schließlich sind die Würfelwürfe unbekannt. Eine ähnliche Situation ergibt sich bei Teilchen, die den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen: Es ist unmöglich, genau zu wissen, wo sie sich zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden. Ihre Lage kann jedoch mithilfe von Wahrscheinlichkeitsverteilungen bestimmt werden.
Jede Verteilung ist das Ergebnisunterschiedliche Überlagerung von Wahrscheinlichkeiten für einzelne Orte und entspricht einem bestimmten Energiezustand des Teilchens. Dadurch stimmt die Zahl der stabilen Energiezustände mit der Zahl der Freiheitsgrade des Systems überein und entspricht damit genau der Zahl der zulässigen Positionen. Es ist erwähnenswert, dass alle stabilen Wahrscheinlichkeitsverteilungen am Startpunkt überhaupt nicht gleich Null sind. Als Ergebnis kehrt der Würfel irgendwann an seinen ursprünglichen Ort zurück.
Für ein Quantenteilchen bedeutet das dasEs gibt unzählige Möglichkeiten, die Wahrscheinlichkeiten einzelner Standorte zu Verteilungen zusammenzufassen. Dadurch können sie nicht mehr nur bestimmte diskrete Energiezustände einnehmen, sondern alle möglichen in einem kontinuierlichen Spektrum. Die neue Theorie von Nicolo Defenu erklärt, was Wissenschaftler bereits mehrfach in Experimenten beobachtet haben: Systeme, in denen weitreichende Wechselwirkungen auftreten, erreichen kein stabiles Gleichgewicht, sondern einen metastabilen Zustand, in dem sie immer wieder in ihre ursprüngliche Position zurückkehren .
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