马克斯·普朗克科学家演示原子电离过程中的量子混沌

研究人员测量了电子流的典型波动,电子流受激光频率的影响,由电子的无序运动引起。这个实验是基于量子力学早期的一个实验来证明光电效应。(物理评论快报,2005年11月4日)

在日常生活的宏观世界中,我们经常有“确定性混沌”。天气、洋流、天体运动、昆虫数量的增长等事件都可以用精确的公式来描述。它们确实是“决定性的”。但实际上,它们的运行方式对初值非常敏感。即使是测量初始条件的最小失败,也可能使长期预测成为不可能。物理学家称这种系统为“混沌的”。

微观过程也可能非常复杂。量子力学排除了原子世界存在“确定性混沌”的想法。在其他原因中,量子力学系统从许多同时发生的初始状态不确定地发展。在量子混沌研究中,物理学家正在量子世界中寻找与日常世界中确定性混沌的相似之处。通过这种方式,科学家们马克斯普朗克量子光学研究所一直在研究量子力学系统中的混沌,根据宏观物理的规则,量子力学系统将是确定性的混沌。

与Gernot Stania和Herbert Walther合作的科学家们现在已经成功地在一个系统中发现了量子混沌的第一个实验证据,在这个系统中,实验过程中的成分原则上可以向任何方向分散。他们回顾了一个历史实验:当光线投射到金属上时,通过释放电子到金属上来证明光电效应。

在经典的实验中,电压在两块金属板上产生,其中一块被碱金属覆盖。实验人员用特定频率的光(也就是能量)撞击碱金属。当能量移动到一定数量以上时,光将电子从金属中释放出来,这是可以观察到的电流。一百年前,阿尔伯特·爱因斯坦发表了他对这一效应的解释,这对量子理论的发展至关重要,并在1921年获得了诺贝尔奖。

马克斯·普朗克量子光学研究所的科学家们根据他们的需要调整了这个经典实验。在现代版本中,碱金属不是应用在金属板上,而是在实验装置中被一束铷原子的飞束所取代(与图1相比)。原子随后暴露在电场和强磁场中。就像在历史实验中一样,原子只被特定频率的光击中,这种光能使原子释放电子。这种电子束是根据光的频率来测量的。

在磁场、电场和原子中的静电力(质子和电子的吸引力)之间,有三种不同的力作用在铷原子中的电子上,每一种力都引起了非常不同的电子运动。只要其中一种力大于其他力,电子的运动就简单而不混乱。例如,当电子还没有吸收激光而发现自己在原子核附近时,情况就是这样。然而,当电子接触到一个轻粒子的瞬间,它就会变成一个高能态,从而更容易受到外部电磁场的影响。它的运动随之变得混乱。在这个运动过程中,电子离原子核越来越远,直到它获得自由。

电子束以一种与光粒子的能量相匹配的特定方式波动,这一事实证明了运动中的混乱。欧洲杯猜球平台这些波动被称为“埃里克森波动”。研究人员不仅能够证明埃里克森波动,他们还能够根据宏观物理学的规则,调整电场和磁场强度的初始状态,从而调整系统的无序行为。通过这种方法,他们能够显示出确定性混沌和光电流波动之间的联系。根据宏观物理学的规则,系统的反应越混乱,测量到的波动就越强。

http://www.mpg.de/

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