Експериментальне визначення ефективних теорій у системах багатьох тіл

Гейдельберзькі дослідники розробляють новий метод і демонструють його застосування в експериментах

Однією з цілей науки є пошук фізичних описів природи шляхом вивчення взаємодії основних системних компонентів. Для складних систем із багатьма тілами для цього часто використовуються ефективні теорії. Вони дозволяють описувати взаємодії без необхідності спостерігати за системою на найменшому масштабі. Зараз фізики Гейдельберзького університету розробили новий метод, який дозволяє експериментально ідентифікувати такі теорії за допомогою так званих квантових симуляторів. Результати дослідницьких робіт під керівництвом професора доктора Маркуса Оберталера (експериментальна фізика) та професора д-ра Юргена Бергеса (теоретична фізика) були опубліковані в журналі Nature Physics.

Вивести прогнози щодо фізичних явищ на рівні окремих частинок з мікроскопічного опису практично неможливо для великих систем. Це стосується не тільки квантово-механічних систем багатьох тіл, але і класичної фізики, наприклад, коли нагріта вода в каструлі повинна описуватися на рівні окремих молекул води. Але якщо система спостерігається у великих масштабах, як водяні хвилі в горщику, нові властивості можуть стати актуальними за певних передумов. Для ефективного опису такої фізики використовуються ефективні теорії. "Наше дослідження мало на меті виявити ці теорії в експериментах за допомогою квантових симуляторів", - пояснює Торстен Заке, головний автор теоретичної частини дослідження. Квантові симулятори використовуються для більш простого модифікації систем багатьох тіл та для обчислення їх властивостей.

Гейдельберзькі фізики нещодавно продемонстрували свій нещодавно розроблений метод в експерименті над ультрахолодними атомами рубідію, які потрапляють в оптичну пастку і виводяться з рівноваги. "За сценарієм, який ми підготували, атоми поводяться як крихітні магніти, орієнтацію яких ми можемо точно зчитувати, використовуючи нові процеси", за словами Максиміліана Прюфера, основного автора експериментальної сторони дослідження. Щоб визначити ефективну взаємодію цих «магнітів», експеримент доводиться повторити кілька тисяч разів, що вимагає надзвичайної стійкості.

"Основні теоретичні концепції дозволяють нам інтерпретувати експериментальні результати абсолютно по-новому і тим самим отримувати розуміння через експерименти в областях, які до цього часу були недоступні за допомогою теорії", - зазначає професор Оберталер. "У свою чергу, це може розповісти нам про нові типи теоретичних підходів до успішного опису відповідних фізичних законів у складних системах багатьох тіл", - стверджує професор Бергес. Підхід, використаний фізиками Гейдельберга, можна перенести на ряд інших систем, таким чином відкриваючи новаторську територію для квантового моделювання. Юрген Бергес та Маркус Оберталер впевнені, що цей новий спосіб виявлення ефективних теорій дасть можливість відповісти на основні питання фізики.