Co to jest chaos kwantowy?

Chaos kwantowy, termin nietechniczny, to skrót naukowy, który odnosi się do wykorzystania teorii chaosu do wyjaśnienia układów kwantowych. Teoria chaosu może wyjaśnić nieregularności występujące we wszystkich układach dynamicznych od poziomu makro do poziomu mikro. Nieregularności te obejmują bełkot podczas rewolucji satelity wokół planety lub nieprzewidziane położenie elektronu na poziomie atomowym. Układy kwantowe to te układy, które działają na poziomie molekularnym. Łącząc te definicje, chaos kwantowy próbuje wyjaśnić nieregularności w układach molekularnych.

Przez długi czas naukowcy nie byli pewni, czy istnieje chaos kwantowy. Atomy zwykle wykazywały przewidywalne falowe wzorce energii. Obiekty na poziomie molekularnym nie wydawały się wyrażać ekstremalnej wrażliwości na warunki początkowe, tradycyjną definicję fizycznego chaosu. Nawet niektóre pojawiające się problemy można wyjaśnić za pomocą teorii zaburzeń, która pozwala na niewielkie odchylenia w systemie, który wykazuje w dużej mierze regularne zachowanie, które można wyjaśnić za pomocą fizyki klasycznej.

Jak jednak odkryli niektórzy fizycy XX wieku, nie wszystkie zdarzenia zachodzące na poziomie molekularnym można odpowiednio wyjaśnić lub przewidzieć za pomocą klasycznych modeli kwantowych. Według tych modeli zdarzenia takie jak ruch cząstek z jednego miejsca do drugiego wymagałyby wykładniczo rosnących ilości energii, których wytworzenie byłoby niemożliwe. Ponieważ zaobserwowano, że cząsteczki poruszają się bez wytwarzania tych poziomów energii, naukowcy musieli wymyślić inny sposób wyjaśnienia tego zjawiska.

Jednym ze sposobów wyjaśnienia naukowców było badanie atomu Rydberga. Atomy Rydberga to wysokoenergetyczne atomy, które wykazują chaotyczne zachowania, które można wyjaśnić za pomocą fizyki klasycznej. Badanie tych atomów wykazało, że układy, w których występuje chaos kwantowy, mają wysoce skorelowane poziomy energii. Poziomy energii cząstek nie są losowo rozmieszczone, jak w klasycznych cząsteczkach. Zdarzenia jednego podsystemu są nierozerwalnie związane ze zdarzeniami innego podsystemu. W rezultacie spektrum energetyczne może być wykorzystane do przynajmniej częściowego wyjaśnienia zachowania tych cząstek.

Inną metodą było przyjrzenie się sytuacjom, w których fizyka klasyczna była w stanie wyjaśnić nieregularności w dużych układach. Mechanizmy stojące za wahaniem na orbicie księżyca wokół Ziemi z powodu przyciągania grawitacyjnego Słońca zostały wykorzystane do stworzenia statystycznego pomiaru, który pomógł wyjaśnić i przewidzieć zachowanie cząstek o niskiej energii. Podczas gdy klasyczne modele fizyki nie potrafią odpowiednio wyjaśnić zachowania tych chaotycznych układów molekularnych, interesujące jest, że chaos kwantowy wykorzystuje te modele jako punkt wyjścia do tworzenia nowych modeli w celu dalszego zrozumienia tych układów.