Co je Quantum Chaos?

Kvantový chaos, netechnický termín, je vědecká zkratka, která odkazuje na použití teorie chaosu k vysvětlení kvantových systémů. Teorie chaosu může vysvětlit nepravidelnosti, které se vyskytují ve všech dynamických systémech od makro po mikroúrovni. Mezi tyto nepravidelnosti patří rachot v satelitní revoluci kolem planety nebo nepředvídaná poloha elektronu na atomové úrovni. Kvantové systémy jsou ty systémy, které fungují na molekulární úrovni. Když vezmeme tyto definice dohromady, kvantový chaos se pokusí započítat nesrovnalosti v molekulárních systémech.

Po dlouhou dobu si vědci nebyli jistí, zda existuje kvantový chaos. Atomy měly tendenci vykazovat předvídatelné vlnové vzorce energie. Zdálo se, že objekty na molekulární úrovni neexprimují extrémní citlivost na počáteční podmínky, tradiční definici fyzického chaosu. I některé problémy, které se objevily, lze vysvětlit poruchovou teorií, která umožňuje drobné odchylky v systému, který vykazuje převážně pravidelné chování, které lze vysvětlit klasickou fyzikou.

Jak však někteří fyzici 20. století objevili, ne všechny události na molekulární úrovni lze pomocí klasických kvantových modelů adekvátně vysvětlit nebo předpovědět. Podle těchto modelů by události, jako je pohyb částic z jednoho místa na další, vyžadovaly exponenciálně rostoucí množství energie, které by nebylo možné vytvořit. Protože bylo pozorováno, že se částice pohybují, aniž by vytvářely tyto energetické hladiny, vědci museli přijít s jiným způsobem, jak tento jev vysvětlit.

Jedním způsobem, jak vědci vysvětlili, bylo studium atomu Rydberg. Atomy Rydbergu jsou atomy s vysokou energií, které vykazují chaotické chování, které lze vysvětlit klasickou fyzikou. Studium těchto atomů ukázalo, že systémy, ve kterých je zahrnut kvantový chaos, mají vysoce korelované energetické hladiny. Energetické hladiny částic nejsou náhodně distribuovány jako v klasických molekulách. Události jednoho subsystému jsou neoddělitelně spojeny s událostmi jiného subsystému. Výsledkem je, že energetické spektrum může být použito pro alespoň částečné vysvětlení chování těchto částic.

Další metodou bylo podívat se na situace, ve kterých klasická fyzika dokázala vysvětlit nepravidelnosti velkých systémů. Mechanika za kolísáním na oběžné dráze měsíce kolem Země kvůli gravitačnímu tahu Slunce byla použita k vytvoření statistického měření, které pomohlo vysvětlit a předpovědět chování nízkoenergetických částic. Zatímco klasické modely ve fyzice nemohou adekvátně vysvětlit chování těchto chaotických molekulárních systémů, je zajímavé, že kvantový chaos tyto modely používá jako startovací bod k vytvoření nových modelů, které těmto systémům dále porozumí.