Квантовый хаос
Переведено 11.11.05 с оригинала: ScienceDaily.com.
|
Researchers Demonstrate Quantum Chaos During Atom
Ionisation For The First Time Max
Planck Institute of Quantum Optics. Scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics, investigating the chaotic behaviour of the quantum world, have been able to give
the first ever demonstration of quantum chaos during atom ionisation.
Using laser light, they released electrons from rubidium in a strong
electromagnetic field. The researchers measured typical fluctuations in the
electron current, which is subject to the frequency of the laser light, and
which arose from the chaotic movement of the electrons. The experiment is
based on an experiment from the early days of quantum mechanics demonstrating
the photoelectric effect. (Physical Review Letters, In
the macroscopic world of everyday life we often have 'deterministic chaos'.
Events like weather and ocean currents, the movement of heavenly bodies, or
the growth of insect populations can all be
described in exact formulas. They are indeed 'deterministic'. But the way
they proceed in reality is highly sensitive to initial
values. Even the smallest failure to measure the initial conditions can make
a long-term prediction impossible. Physicists call such systems 'chaotic'. Microscopic processes can
also be very complex. Quantum mechanics rules out the idea that the world of
atoms has 'deterministic chaos'. Among other reason for this, quantum
mechanical systems develop non-deterministically from many simultaneous
initial states. In quantum chaos research
physicists are looking for similarities, in the quantum world, to the
deterministic chaos of the everyday world. In this way, scientists at the Max
Planck Institute of Quantum Optics have been investigating chaos in quantum
mechanical systems that would be deterministically chaotic according to the
rules of macroscopic physics. Scientists working with Gernot Stania and Herbert
Walther have now succeeded in finding the first experimental evidence of
quantum chaos in a system in which the components, during the experiment, in
principle can disperse in any direction. They harked back to an historical
experiment: demonstrating the photoelectric effect by releasing electrons
onto metal when light is projected on them. In the classical
experiment, electric voltage is created across two metal plates, one of them
covered with an alkali metal. The experimenter hits the alkali metal with
light at a particular frequency (and thus energy).
As soon as the energy moves above a certain amount, the light frees the
electrons from the metal, which is observable as electric current. Albert Einstein
published his explanation for this effect a hundred years ago, which was
important for the development of quantum theory and
recognised with a Nobel Prize in 1921. The scientists from the
Max Planck Institute of Quantum Optics adapted the classical experiment to
their needs. In the modern version, the alkali metal is not applied to a
metal plate, but is replaced in the experimental setup by a flying beam of
rubidium atoms (compare with image 1). The atoms are then exposed to both an
electrical field and a strong magnetic field. As in the historical
experiment, the atoms are only hit with a light of a particular frequency
which is able to cause them to release electrons. This electron beam is
measured subject to the light frequency.
Between the magnetic
field, the electric field, and the electrostatic forces in the atom (the
attraction of protons and electrons), three different forces are acting on
the electrons in the rubidium atoms, each of which provokes very different
electron movements. As long as one of these forces outweighs the others, the
movement of the electrons is simple and not chaotic. That is the case, for
example, when the electron has not yet absorbed laser light and finds itself
near the atomic nucleus. However, in the moment in which the electron takes
up a light particle, it changes to a high energy state and thus falls more
under the influence of the external electromagnetic field. Its movement then
becomes chaotic. In the process of this movement, the electron moves farther
and farther from the nucleus, until it is free. The chaos in the movement
is demonstrated through the fact that the electron beam fluctuates in a
particular way which matches the energy of the light particles. These
fluctuations are called 'Ericson fluctuations'. The
researchers were not only able to demonstrate the Ericson
fluctuations, they were also able to adjust the
initial state of the strength of the electric and magnetic field, and thus
how chaotically the system behaved, according to the rules of macroscopic
physics. In this way, they were able to show the connection between
deterministic chaos and the fluctuations of the photocurrent. The more
chaotically the system reacted, according to the rules of macroscopic
physics, the stronger the measured fluctuations. The original news
release can be found here. |
Исследователи
впервые демонстрируют квантовый хаос при ионизации атома Институт Квантовой Оптики им.Макса Планка. Ученые из Института Квантовой Оптики им.Макса Планка, исследующие хаотическое поведение квантового мира, поставили эксперимент, демонстрирующий квантовый хаос при ионизации атома. Используя лазерный луч, они заставили рубидий испускать электроны в сильное электромагнитное поле. Исследователи измерили типичные колебания в электронном потоке, образованные в результате наложения частоты лазерного излучения на хаотическое движение электронов. Эксперимент основан на классическом эксперименте, демонстрировавшем фотоэлектрический эффект. В макроскопическом мире каждодневной жизни мы часто наблюдаем детерминированный хаос. События, подобные атмосферным и океанским потокам, движение небесных тел, рост популяций насекомых можно описать точными формулами. Они действительно ' детерминированы '. Но путь, по которому подобные системы переходят из одного состояния в другое, слишком чувствителен к начальным условиям и параметрам среды и не поддается детерминированному описанию. Даже самая маленькая ошибка в измерении начальных условий может делать долгосрочное предсказание невозможным. Физики называют такие системы ' хаотическими '. Микроскопические процессы также могут быть очень сложны. Квантовой механикой управляет идея о том, что миром атомов управляет детерминированный хаос. Физики-ядерщики ищут подобия между квантовым миром и детерминированным хаосом макромира. Ученые из Института Квантовой Оптики им.Макса Планка исследовали хаос в квантовых механических системах, которые можно определить как хаотические в смысле макроскопической физики. Исследователи, работающие вместе с Gernot Stania и Herbert'ом Walther'ом, получили первое экспериментальное свидетельство квантового хаоса в системе, в которой компоненты в течение эксперимента, в принципе, могут рассеиваться в любом направлении. Они основывались на классическом эксперименте демонстрации фотоэлектрического эффекта, заключающегося в испускнии металлом электронов под воздействием света. В классическом эксперименте электрическое напряжение создано между двух металлических пластин, одна из которых покрыта щелочным металлом. Экспериментатор облучает эту пластину светом определенной частоты. Как только энергия света превышает некоторый квантовый уровень, электроны отделяются от металла, образуя электрический ток. Альберт Эйнштейн дал объяснение этого эффекта сто лет назад, что было важно для развития квантовой теории и отмечено Нобелевской Премией в 1921. Ученые из Института Квантовой Оптики видоизменили классический эксперимент. В современной версии щелочной металл не применяется, его заменили в экспериментальной установке лучом из атомов рубидия. Атомы были подвергнуты воздействию как электрического, так и магнитного полей. Как и в историческом эксперименте, атомы облучаются светом определенной частоты, способной заставить их испускать электроны. Этот электронный луч измеряется по мере изменения частоты света. Три различных силы действуют на электроны в атомах рубидия, каждая из которых вызывает совершенно различные движения электрона. Это магнитное поле, электрическое поле и электростатические силы в атоме (силы притяжения между протонами и электронами) . Пока одна из этих сил перевешивает другие, движение электронов - простые и не хаотические. Это имеет место, например, когда электрон еще не попал под лазерное облучение и находится около атомного ядра. Однако, в тот момент, когда электрон сталкивается с легкой частицей, он переходит на более высокий энергетический уровень и сильнее реагирует на внешнее электромагнитное поле. Его движение становится хаотическим. В процессе этого движения электрон переходит на все более удаленные от ядра квантовые уровни, пока не становится свободным. Хаос в движении демонстрируется тем фактом, что электронный луч колеблется специфическим способом, который соответствует энергии легких частиц. Эти колебания называются эриксоновскими колебаниями. Исследователи смогли не только продемонстрировать эриксоновские колебания, они смогли также отрегулировать начальное состояние сил электрического и магнитного полей таким образом, что хаотичное поведение соответствовало правилам макроскопической физики. Таким образом, удалось показать связь между детерминированным хаосом и колебаниями фотопотока. Источник: ScienceDaily.com. |
