Was ist Quantenchaos?
Quantenchaos, ein nicht-technischer Begriff, ist eine wissenschaftliche Abkürzung, die sich auf die Verwendung der Chaostheorie zur Erklärung von Quantensystemen bezieht. Die Chaostheorie kann die Unregelmäßigkeiten erklären, die in allen dynamischen Systemen vom Makro bis zur Mikroebene auftreten. Zu diesen Unregelmäßigkeiten gehören eine Kugel bei der Umdrehung eines Satelliten um einen Planeten oder die unvorhergesehene Position eines Elektrons auf atomarer Ebene. Quantensysteme sind solche Systeme, die auf molekularer Ebene arbeiten. Zusammengenommen versucht das Quantenchaos, Unregelmäßigkeiten in molekularen Systemen zu berücksichtigen.
Wissenschaftler waren sich lange Zeit nicht sicher, ob es ein Quantenchaos gibt. Atome neigten dazu, vorhersagbare wellenförmige Energiemuster aufzuweisen. Objekte auf molekularer Ebene schienen keine extreme Empfindlichkeit gegenüber Anfangsbedingungen auszudrücken, der traditionellen Definition von physikalischem Chaos. Sogar einige Probleme, die aufgetreten sind, konnten durch die Störungstheorie erklärt werden, die geringfügige Abweichungen in einem System zulässt, das ein weitgehend regelmäßiges Verhalten aufweist, das durch die klassische Physik erklärt werden kann.
Wie einige Physiker des 20. Jahrhunderts entdeckten, konnten jedoch nicht alle Ereignisse auf molekularer Ebene mit klassischen Quantenmodellen hinreichend erklärt oder vorhergesagt werden. Nach diesen Modellen würden Ereignisse wie die Bewegung von Partikeln von einem Ort zum nächsten exponentiell wachsende Energiemengen erfordern, die unmöglich zu erzeugen wären. Da beobachtet wurde, dass sich Partikel bewegen, ohne diese Energieniveaus zu erzeugen, mussten Wissenschaftler eine andere Methode finden, um das Phänomen zu erklären.
Eine Möglichkeit, die Wissenschaftler erklärten, bestand in der Untersuchung des Rydberg-Atoms. Rydberg-Atome sind hochenergetisierte Atome, die ein chaotisches Verhalten zeigen, das durch die klassische Physik erklärt werden kann. Untersuchungen an diesen Atomen haben gezeigt, dass Systeme mit Quantenchaos stark korrelierte Energieniveaus aufweisen. Die Energieniveaus der Partikel sind nicht wie bei klassischen Molekülen zufällig verteilt. Die Ereignisse eines Subsystems sind untrennbar mit den Ereignissen eines anderen Subsystems verbunden. Infolgedessen kann ein Energiespektrum verwendet werden, um das Verhalten dieser Partikel zumindest teilweise zu erklären.
Eine andere Methode bestand darin, Situationen zu untersuchen, in denen die klassische Physik Unregelmäßigkeiten in großen Systemen erklären konnte. Die Mechanismen hinter dem Wackeln in der Umlaufbahn des Mondes um die Erde aufgrund der Anziehungskraft der Sonne wurden verwendet, um eine statistische Messung zu erstellen, mit deren Hilfe das Verhalten energiearmer Partikel erklärt und vorhergesagt werden konnte. Während klassische Modelle in der Physik das Verhalten dieser chaotischen molekularen Systeme nicht ausreichend erklären können, ist es interessant, dass das Quantenchaos diese Modelle als Ausgangspunkt verwendet, um neue Modelle zu erstellen, um diese Systeme besser zu verstehen.