Wat is kwantum Chaos?
Kwantumchaos, een niet-technische term, is een wetenschappelijke afkorting die verwijst naar het gebruik van chaostheorie om kwantumsystemen te verklaren. Chaostheorie kan de onregelmatigheden verklaren die zich voordoen in alle dynamische systemen, van macro tot microniveau. Die onregelmatigheden omvatten een bobbel in de revolutie van een satelliet rond een planeet of de onvoorspelbare positie van een elektron op atomair niveau. Kwantumsystemen zijn die systemen die op moleculair niveau werken. Door deze definities samen te nemen, probeert de kwantum chaos rekening te houden met onregelmatigheden in moleculaire systemen.
Lange tijd wisten wetenschappers niet zeker of kwantum chaos bestond. Atomen hadden de neiging om voorspelbare golfvormige energiepatronen te vertonen. Objecten op moleculair niveau leken niet extreem gevoelig te zijn voor initiële omstandigheden, de traditionele definitie van fysieke chaos. Zelfs sommige problemen die zich voordeden, konden worden verklaard door de perturbatietheorie, die kleine afwijkingen in een systeem mogelijk maakt dat grotendeels regelmatig gedrag vertoont dat kan worden verklaard door de klassieke fysica.
Zoals sommige natuurkundigen van de 20e eeuw ontdekten, konden echter niet alle gebeurtenissen op moleculair niveau adequaat worden verklaard of voorspeld via klassieke kwantummodellen. Volgens die modellen zouden gebeurtenissen zoals deeltjesbeweging van de ene naar de volgende locatie exponentieel groeiende hoeveelheden energie vereisen die onmogelijk te genereren zijn. Omdat is waargenomen dat deeltjes bewegen zonder die energieniveaus te produceren, moesten wetenschappers echter een andere manier bedenken om het fenomeen te verklaren.
Eén manier waarop wetenschappers uitlegden, was door onderzoek van het Rydberg-atoom. Rydberg-atomen zijn zeer energieke atomen die chaotisch gedrag vertonen dat kan worden verklaard via de klassieke fysica. Onderzoek van deze atomen heeft aangetoond dat systemen waar kwantumchaos bij betrokken is, sterk gecorreleerde energieniveaus hebben. De energieniveaus van de deeltjes zijn niet willekeurig verdeeld zoals in klassieke moleculen. De gebeurtenissen van het ene subsysteem zijn onlosmakelijk verbonden met de gebeurtenissen van een ander subsysteem. Als gevolg hiervan kan een energiespectrum worden gebruikt om het gedrag van deze deeltjes ten minste gedeeltelijk te verklaren.
Een andere methode was om te kijken naar situaties waarin de klassieke fysica onregelmatigheden in grote systemen kon verklaren. De mechanica achter het wiebelen in de baan van de maan rond de aarde vanwege de zwaartekracht van de zon werden gebruikt om een statistische meting te maken die hielp bij het verklaren en voorspellen van het gedrag van energiezuinige deeltjes. Hoewel klassieke modellen in de fysica het gedrag van deze chaotische moleculaire systemen niet adequaat kunnen verklaren, is het interessant dat de kwantum chaos die modellen gebruikt als een startpunt om nieuwe modellen te creëren om deze systemen verder te begrijpen.