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Quantenphysik: Quantenwelt im Nichtgleichgewicht

Fischschwärme, Stürme, Galaxien: Fast nichts in ­unserer Welt ist im Gleichgewicht. Doch so ­alltäglich die Phänomene sind, so unverstanden sind sie noch immer. Das könnte sich nun ändern – dank neu ­entdeckter universeller Verhaltensmuster in Quantensystemen.
Quantennichtgleichgewicht

Blickt man auf die Entwicklung der Physik des letzten Jahrhunderts, erscheinen die Fortschritte enorm: Dank der Quantenmechanik verfügen wir über vielfäl­tige Technologien, die etwa Laser und Mikrochips nutzen; vor wenigen Jahren gelang es Astronomen erstmals, Gravitationswellen zu detektieren; und inzwischen gibt es sogar erste Prototypen von Quantencomputern. Wenn Physiker aber die turbulenten Strömungen am Fuß eines Wasserfalls beschreiben wollen, stoßen sie an ihre Grenzen. 

Geraten Vielteilchensysteme aus der Balance, lässt sich ihr Verhalten oft nicht mehr exakt berechnen. Das ist für viele Forscher frustrierend, denn die Natur steckt voller Nichtgleichgewicht: von den Bewegungen mikroskopischer Teilchen hin zu den größten galaktischen Strukturen im Universum, von der Dynamik von Fischschwärmen zu den sich ständig verändernden Netzwerken in Telekommunika­tion und Gesellschaft. Selbst das Leben ist ein Beispiel für ein nicht ausbalanciertes System, weil unser Körper ständig Energie mit der Umwelt austauscht. 

Phänomene außerhalb des Gleichgewichts sind daher nicht nur interessant für die Grundlagenphysik, sondern auch im Bereich der Chemie, Biologie, Meteorologie, Industrie und Soziologie. Bis heute weist das Forschungsgebiet viele offene Fragen auf – insbesondere dann, wenn die Quantenmechanik ins Spiel kommt.  Denn nicht nur in klassischen Objekten wie Flüssen oder der Atmosphäre entstehen Turbulenzen. Auch mikroskopische Vielteilchensysteme können derart gestört werden, dass sie vorübergehend einen zeitlich veränderlichen Zustand annehmen, bevor sie ins Gleichgewicht zurückkehren. Aber wie, wenn überhaupt, geht dieser Prozess vonstatten? …

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  • Quellen

Eigen, C. et al.: Universal prethermal dynamics of Bose gases quenched to unitarity. Nature 563, 2018

Erne, S. et al.: Universal dynamics in an isolated one- dimensional Bose gas far from equilibrium. Nature 563, 2018

Gasenzer, T. et al.: Far-from-equilibrium quantum many-body dynamics. European Physics Journal C 70, 2010

Kibble, T. W. B.: Topology of cosmic domains and strings. Journal of Physics A: Mathematical and General 9, 1976

Kolmogorov, A. N.: The local structure of turbulence in incompressible viscous fluid for very large Reynolds numbers. Proceedings of the USSR Academy of Sciences 30, 1941

Lamporesi, G. et al.: Spontaneous creation of Kibble–Zurek solitons in a Bose–Einstein condensate. Nature Physics 9, 2013

Mazeliauskas, A., Berges, J.: Prescaling and far-from-equilibrium hydrodynamics in the quark-gluon plasma. Physical Review Letters 122, 2019

Prüfer, M. et al.: Observation of universal dynamics in a spinor Bose gas far from equilibrium. Nature 563, 2018

Zurek, W. H.: Cosmological experiments in superfluid helium? Nature 317, 1985