Regole notevoli sono state rilevate nell'apparente caos dei processi di disequilibrio. Sistemi diversi si comportano in modo identico in molti modi, se appartengono alla stessa "classe di universalità". Ciò significa che è possibile eseguire esperimenti con sistemi quantistici facili da gestire per ottenere informazioni precise su sistemi che non possono essere studiati direttamente nell'esperimento, come il Big Bang.

Alcuni fenomeni sono così complicati che è impossibile calcolarli con precisione. Questo include grandi sistemi quantistici, che consistono di molte particelle, soprattutto quando non sono in uno stato di equilibrio, ma cambiando rapidamente. Tali esempi includono l'inferno di particelle selvagge che si verifica negli acceleratori di particelle quando grandi atomi si scontrano, o condizioni subito dopo il Big Bang, quando le particelle si espandono rapidamente e poi si raffreddano.

Alla TU Wien e all'Università di Heidelberg, regole notevoli sono state rilevate nell'apparente caos dei processi di disequilibrio. Ciò indica che tali processi possono essere suddivisi in classi di universalità. I sistemi appartenenti alla stessa classe si comportano in modo identico in molti modi. Ciò significa che è possibile eseguire esperimenti con sistemi quantistici facili da gestire per ottenere informazioni precise su altri sistemi che non possono essere studiati direttamente nell'esperimento. Questi risultati sono stati da allora pubblicati sulla rivista Natura .

Regole universali

"Le classi di universalità sono note da altre aree della fisica, " afferma il prof. Jörg Schmiedmayer dell'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien. "Quando si studiano le transizioni di fase, Per esempio, materiali molto vicini al punto di fusione, puoi descrivere determinate proprietà usando formule che sono molto universali, come la relazione tra il calore specifico e la temperatura." I dettagli microscopici del processo di fusione non contano. Materiali molto diversi possono obbedire alle stesse semplici equazioni.

"È tuttavia del tutto sorprendente che un'universalità di questo tipo possa essere trovata anche in sistemi quantistici che sono molto lontani da uno stato di equilibrio, " dice Jörg Schmiedmayer. "A prima vista, non ti aspetteresti questo:perché un sistema quantistico composto da molte particelle che cambiano molto rapidamente dovrebbe obbedire a qualche legge universale?" Tuttavia, il lavoro teorico di Jürgen Berges e dei gruppi di Thomas Gasenzer dell'Università di Heidelberg prevedevano esattamente questo. Queste notevoli previsioni sono state ora verificate due volte contemporaneamente:a TU Wien ea Heidelberg.

La direzione veloce e lenta

L'esperimento nel gruppo del Prof. Schmiedmayer presso il Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) presso l'Istituto di fisica atomica e subatomica (TU Wien) utilizza una trappola atomica molto speciale. Su un chip atomico, migliaia di atomi di rubidio possono essere intrappolati e raffreddati utilizzando campi elettromagnetici. "In questo processo, generiamo una nuvola atomica con una direzione corta e una lunga, simile a un sigaro, " spiega Sebastian Erne, l'autore principale dello studio.

Inizialmente, gli atomi si muovono in tutte le direzioni alla stessa velocità. La trappola atomica può, però, essere aperto nelle direzioni brevi (trasversali), il che significa che quegli atomi che si muovono particolarmente velocemente in questa direzione volano via. Questo lascia solo atomi che hanno una velocità relativamente bassa nelle direzioni trasversali.

"La distribuzione della velocità in una direzione è cambiata così rapidamente che durante questo periodo, la distribuzione della velocità nell'altra direzione, lungo l'asse maggiore del sigaro, praticamente non cambia affatto, " dice Sebastian Erne. "Di conseguenza, produciamo uno stato che è lontano dall'equilibrio termico." Le collisioni e le interazioni portano quindi allo scambio di energia tra gli atomi, che prende il nome di termalizzazione.

"Il nostro esperimento dimostra che il corso di questa termalizzazione segue una legge universale e non dipende da alcun dettaglio, " dice Jörg Schmiedmayer. "Indipendentemente da come abbiamo iniziato la termalizzazione, la transizione può sempre essere descritta con la stessa formula."

È stata una storia simile per il team di ricerca di Heidelberg. Lì anche, hanno iniziato con una nuvola atomica allungata. Però, il team di Heidelberg non ha studiato la velocità ma lo spin (il momento angolare intrinseco) delle particelle. Hanno prima controllato le direzioni di rotazione degli atomi e poi hanno osservato come queste direzioni cambiano nel tempo a causa delle interazioni tra gli atomi.

Questo cambiamento può essere descritto utilizzando le stesse formule dell'altro esperimento:"Nel nostro caso, la situazione fisica è molto diversa da quella dell'esperimento TU Wien, ma le dinamiche obbediscono anche a leggi di scala universali, " spiega Maximilian Prüfer (Heidelberg), primo autore della pubblicazione di Heidelberg.

"Abbiamo trovato un processo che obbedisce anche all'universalità ma appartiene a una diversa classe di universalità. Questo è fantastico perché conferma le nostre teorie in modo molto convincente e suggerisce che siamo davvero a qualcosa:un nuovo, legge fondamentale, " dice Markus Oberthaler (anche Heidelberg).

Imparare da un sistema sugli altri

L'universalità aumenta la possibilità di ottenere informazioni importanti sui sistemi quantistici che sono solitamente inaccessibili in un laboratorio. "Nessuno può ricreare il Big Bang in un laboratorio, ma se conosciamo la classe di universalità a cui appartiene, possiamo guardare altri sistemi quantistici della stessa classe e indagare indirettamente le proprietà universali durante il Big Bang, " spiega Schmiedmayer. "Una migliore comprensione del comportamento dei sistemi quantistici a molte particelle che sono lontani dall'equilibrio è uno dei problemi più urgenti nella fisica di oggi. Anche con i migliori supercomputer, non c'è possibilità di calcolare con precisione questi eventi, e quindi le nostre lezioni di universalità sono una grande opportunità per imparare qualcosa di nuovo."