Физические системы на квантовом уровне не всегда приходят к устойчивому равновесию. В новом исследовании ученым удалось выяснить, почему так происходит. Некоторые квантовые системы никогда не демонстрируют равновесие. Физики долгие годы пытались понять причину этой нестабильности. Однако теперь ученые предложили теорию, которая ставит все на свои места.

Статья с исследованием опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Если вы извлечете холодный напиток из холодильника и поставите емкость с ним на стол, то через некоторое время жидкость приобретет комнатную температуру. То есть между жидкостью и комнатой установится тепловое равновесие. На макроуровне такое правило соблюдается всегда, но когда в игру вступают квантовые законы, то иногда начинает происходить что-то странное, – текст исследования.

В свою очередь, нестабильные квантовые системы не приходят в равновесие. Это похоже на то, если бы стакан воды из холодильника при комнатной температуре начинал остывать. Николо Дефену, ученый Цюрихского института теоретической физики, теперь нашел способ элегантно объяснить это поведение.

Он рассмотрел одномерную систему, в которой есть единственная квантовая частица, которая может находиться только в строго ограниченных положениях вдоль линии.

Это похоже на игру, в которой фигурка движется вдоль прямой на столько клеток, сколько показал бросок кубика. Например, что есть игральный кубик, все стороны которого помечены как «один» или «минус один», и предположим, что игрок бросает его один раз, второй, третий. Фигурка переместится на соседний квадрат, а оттуда либо вернется обратно, либо перейдет на следующий. И так далее.

Однако стоит вопрос: что произойдет, если игрок бросит кубик бесконечное количество раз? Если в игре всего несколько квадратов, то он время от времени будет возвращаться в исходную точку. Но совершенно невозможно точно предсказать, где он будет в любой момент времени — ведь броски кубика неизвестны. Похожая ситуация складывается и с частицами, которые подчиняются законам квантовой механики: невозможно точно знать, где они находятся в данный момент времени. И все же их местонахождение можно установить с помощью вероятностных распределений.

Каждое распределение является результатом различной суперпозиции вероятностей для отдельных мест и соответствует определенному энергетическому состоянию частицы. В итоге количество устойчивых энергетических состояний совпадает с числом степеней свободы системы и, следовательно, точно соответствует числу допустимых положений.

Стоит отметить, что все стабильные распределения вероятностей в начальной точке вовсе не равны нулю. В итоге в какой-то момент кубик возвращается в свое исходное местоположение.

Для квантовой частицы это означает, что существует неизмеримое число способов, которыми вероятности отдельных местоположений могут быть объединены для формирования распределений. В итоге они могут занимать уже не только определенные дискретные энергетические состояния, но и все возможные в непрерывном спектре.

Новая теория, выдвинутая Николо Дефену, объясняет то, что ученые уже много раз наблюдали в экспериментах: системы, в которых происходят дальнодействующие взаимодействия, достигают не устойчивого равновесия, а скорее метастабильного состояния, в котором они всегда возвращаются в изначальное положение.