"Многие крупные достижения в физике за последнее столетие касались поведения квантовых систем со многими частицами", - сказал Дэвид Вайс, заслуженный профессор физики в Пенсильванском университете и один из руководителей исследовательской группы. "Несмотря на ошеломляющий набор разнообразных явлений "многих тел", таких как сверхпроводимость, сверхтекучесть и магнетизм, было обнаружено, что их поведение вблизи равновесия часто достаточно сходно, чтобы их можно было разделить на небольшой набор универсальных классов. Напротив, поведение систем, далеких от равновесия, поддается немногочисленным таким объединяющим описаниям".

Эти квантовые многочастичные системы представляют собой ансамбли частиц, подобных атомам, которые могут свободно перемещаться относительно друг друга, объяснил Вайс. Когда они представляют собой некоторую комбинацию достаточно плотной и холодной материи, которая может варьироваться в зависимости от контекста, для описания их динамики требуется квантовая механика - фундаментальная теория, описывающая свойства природы на атомном или субатомном уровне.

Резко неравновесные системы обычно создаются в ускорителях частиц, когда пары тяжелых ионов сталкиваются на скоростях, близких к скорости света. В результате столкновений образуется плазма, состоящая из субатомных частиц "кварков" и "глюонов", которая возникает очень рано при столкновении и может быть описана с помощью гидродинамической теории, аналогичной классической теории, используемой для описания воздушного потока или других движущихся жидкостей, задолго до того, как плазма достигнет локального теплового равновесия. Но что происходит за удивительно короткое время до того, как можно будет использовать гидродинамическую теорию?

"Физический процесс, который происходит до того, как можно будет использовать гидродинамику, был назван "гидродинамизацией", - сказал Маркос Ригол, профессор физики в Пенсильванском университете и другой руководитель исследовательской группы. "Было разработано много теорий, чтобы попытаться понять гидродинамику при этих столкновениях, но ситуация довольно сложная, и на самом деле невозможно наблюдать ее так, как это происходит в экспериментах на ускорителе частиц. Используя холодные атомы, мы можем наблюдать за тем, что происходит во время гидродинамизации".

Исследователи из университета Пенсильвании воспользовались двумя особенностями одномерных газов, которые улавливаются и охлаждаются лазерами почти до абсолютного нуля, чтобы понять эволюцию системы после того, как она выходит из равновесия, но до того, как можно будет применить гидродинамику. Первая функция является экспериментальной. Взаимодействия в эксперименте могут быть внезапно отключены в любой момент после притока энергии, так что эволюцию системы можно непосредственно наблюдать и измерять. В частности, они наблюдали эволюцию во времени одномерных распределений импульса после внезапного снижения энергии.

"Ультрахолодные атомы в ловушках, изготовленных с помощью лазеров, обеспечивают такой точный контроль и измерения, что они действительно могут пролить свет на физику многих тел", - сказал Вайс. "Удивительно, что та же самая базовая физика, которая характеризует столкновения релятивистских тяжелых ионов, некоторые из самых энергичных столкновений, когда-либо происходивших в лаборатории, также проявляется в гораздо менее энергичных столкновениях, которые мы проводим в нашей лаборатории".

Вторая особенность носит теоретический характер. Совокупность частиц, которые взаимодействуют друг с другом сложным образом, может быть описана как совокупность "квазичастиц", взаимные взаимодействия которых намного проще. В отличие от большинства систем, квазичастичное описание одномерных газов является математически точным. Это позволяет очень четко описать, почему энергия быстро перераспределяется по всей системе после того, как она выходит из равновесия.

"Известные законы физики, включая законы сохранения, в этих одномерных газах подразумевают, что гидродинамическое описание будет точным, как только эта начальная эволюция завершится", - сказал Ригол. "Эксперимент показывает, что это происходит до достижения локального равновесия. Таким образом, эксперимент и теория в совокупности представляют собой модельный пример гидродинамизации. Поскольку гидродинамизация происходит так быстро, лежащее в основе понимание в терминах квазичастиц может быть применено к любой многочастичной квантовой системе, к которой добавляется очень большое количество энергии".

Помимо Вайса и Ригола, в исследовательскую группу университета Пенсильвании входят Юань Ле, Ичэн Чжан и Саранг Гопалакришнан. Исследование финансировалось Национальным научным фондом США. Вычисления были проведены в Институте вычислительной техники и данных штата Пенсильвания.