Что такое квантовый хаос?

Квантовый хаос, нетехнический термин, является научным сокращением, которое относится к использованию теории хаоса для объяснения квантовых систем. Теория хаоса может объяснить нарушения, которые происходят во всех динамических системах от макро до микроуровня. Эти нарушения включают в себя всплеск вращения спутника вокруг планеты или непредсказуемое положение электрона на атомном уровне. Квантовые системы - это те системы, которые работают на молекулярном уровне. Взяв эти определения вместе, квантовый хаос пытается объяснить нарушения в молекулярных системах.

Долгое время ученые не были уверены, существует ли квантовый хаос. Атомы имели тенденцию демонстрировать предсказуемые волнообразные структуры энергии. Объекты на молекулярном уровне, казалось, не выражали чрезвычайной чувствительности к начальным условиям, традиционному определению физического хаоса. Даже некоторые возникающие проблемы могут быть объяснены с помощью теории возмущений, которая допускает незначительные отклонения в системе, которая демонстрирует в основном регулярное поведение, что можно объяснить с помощью классической физики.

Однако, как обнаружили некоторые физики 20-го века, не все события, происходящие на молекулярном уровне, можно адекватно объяснить или предсказать с помощью классических квантовых моделей. Согласно этим моделям, такие события, как движение частиц от одного места к следующему, потребовали бы экспоненциально растущего количества энергии, которое было бы невозможно генерировать. Поскольку было обнаружено, что частицы движутся без образования этих энергетических уровней, ученым пришлось придумать другой способ объяснить это явление.

Ученые объяснили, как можно было исследовать атом Ридберга. Атомы Ридберга - это атомы с высокой энергией, которые демонстрируют хаотическое поведение, которое можно объяснить с помощью классической физики. Изучение этих атомов показало, что системы с квантовым хаосом имеют сильно коррелированные энергетические уровни. Уровни энергии частиц распределены не случайно, как в классических молекулах. События одной подсистемы неразрывно связаны с событиями другой подсистемы. В результате энергетический спектр может быть использован, чтобы, по меньшей мере, частично объяснить поведение этих частиц.

Другой метод состоял в том, чтобы посмотреть на ситуации, в которых классическая физика могла объяснить нарушения в больших системах. Механика за колебанием на орбите Луны вокруг Земли из-за гравитационного притяжения Солнца была использована для создания статистического измерения, которое помогло объяснить и предсказать поведение частиц с низкой энергией. Хотя классические физические модели не могут адекватно объяснить поведение этих хаотических молекулярных систем, интересно, что квантовый хаос использует эти модели в качестве отправной точки для создания новых моделей для дальнейшего понимания этих систем.