Des règles remarquables ont été détectées dans le chaos apparent des processus de déséquilibre. Différents systèmes se comportent de manière identique à bien des égards, s'ils appartiennent à la même « classe d'universalité ». Cela signifie que des expériences peuvent être menées avec des systèmes quantiques faciles à manipuler afin d'obtenir des informations précises sur des systèmes qui ne peuvent pas être étudiés directement dans l'expérience, comme le Big Bang.

Certains phénomènes sont si compliqués qu'il est impossible de les calculer avec précision. Cela inclut les grands systèmes quantiques, qui se composent de plusieurs particules, en particulier lorsqu'ils ne sont pas dans un état d'équilibre, mais changeant rapidement. De tels exemples incluent l'enfer des particules sauvages qui se produit dans les accélérateurs de particules lorsque de gros atomes entrent en collision, ou conditions juste après le Big Bang, lorsque les particules se dilatent rapidement puis se refroidissent.

A la TU Wien et à l'Université de Heidelberg, des règles remarquables ont été détectées dans le chaos apparent des processus de déséquilibre. Cela indique que de tels processus peuvent être divisés en classes d'universalité. Les systèmes appartenant à la même classe se comportent de manière identique à bien des égards. Cela signifie que des expériences peuvent être réalisées avec des systèmes quantiques faciles à manipuler afin d'obtenir des informations précises sur d'autres systèmes qui ne peuvent pas être étudiés directement dans l'expérience. Ces résultats ont depuis été publiés dans la revue La nature .

Règles universelles

"Les classes d'universalité sont connues d'autres domaines de la physique, " déclare le professeur Jörg Schmiedmayer de l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. "Lorsque vous étudiez les transitions de phase, par exemple, matériaux très proches du point de fusion, vous pouvez décrire certaines propriétés à l'aide de formules très universelles, comme la relation entre la chaleur spécifique et la température. » Les détails microscopiques du processus de fusion n'ont pas d'importance. Des matériaux très différents peuvent obéir aux mêmes équations simples.

"Il est cependant tout à fait étonnant qu'une telle universalité se retrouve également dans des systèmes quantiques très éloignés d'un état d'équilibre, " dit Jörg Schmiedmayer. " A première vue, vous ne vous attendriez pas à cela :pourquoi un système quantique composé de nombreuses particules qui changent extrêmement rapidement obéirait-il à des lois universelles ?" Néanmoins, les travaux théoriques des groupes de Jürgen Berges et Thomas Gasenzer de l'Université de Heidelberg ont prédit exactement cela. Ces prédictions notables ont maintenant été vérifiées deux fois en même temps, à TU Wien et à Heidelberg.

Le sens rapide et le sens lent

L'expérience du groupe du professeur Schmiedmayer au Centre de Vienne pour la science et la technologie quantiques (VCQ) de l'Institut de physique atomique et subatomique (TU Wien) utilise un piège à atomes très spécial. Sur une puce atomique, des milliers d'atomes de rubidium peuvent être piégés et refroidis à l'aide de champs électromagnétiques. "Dans ce processus, nous générons un nuage d'atomes avec une direction courte et une direction longue, semblable à un cigare, " explique Sébastien Erne, l'auteur principal de l'étude.

Initialement, les atomes se déplacent dans toutes les directions à la même vitesse. Le piège atomique peut, cependant, être ouvert dans les directions courtes (transversales), ce qui signifie que les atomes qui se déplacent particulièrement vite dans cette direction s'envolent. Cela ne laisse que des atomes qui ont une vitesse relativement faible dans les directions transversales.

« La répartition de la vitesse dans une direction est modifiée si rapidement que pendant ce temps, la répartition de la vitesse dans l'autre sens, le long de l'axe le plus long du cigare, ne change pratiquement pas du tout, " dit Sebastian Erne. " En conséquence, nous produisons un état qui est loin de l'équilibre thermique." Les collisions et les interactions conduisent alors à des échanges d'énergie entre les atomes, ce que l'on appelle la thermalisation.

"Notre expérience démontre que le déroulement de cette thermalisation suit une loi universelle et ne dépend d'aucun détail, " explique Jörg Schmiedmayer. " Quelle que soit la manière dont nous avons commencé la thermalisation, la transition peut toujours être décrite avec la même formule."

C'était une histoire similaire pour l'équipe de recherche de Heidelberg. Ici aussi, ils ont commencé avec un nuage d'atomes allongé. Cependant, l'équipe de Heidelberg n'a pas étudié la vitesse mais le spin (le moment angulaire intrinsèque) des particules. Ils ont d'abord contrôlé les directions de spin des atomes, puis ont observé comment ces directions changent au fil du temps en raison des interactions entre les atomes.

Ce changement peut être décrit par les mêmes formules que celui de l'autre expérience :« Dans notre cas, la situation physique est assez différente de celle de l'expérience TU Wien, mais la dynamique obéit aussi à des lois d'échelle universelles, " explique Maximilian Prüfer (Heidelberg), premier auteur de la publication Heidelberg.

"Nous avons trouvé un processus qui obéit également à l'universalité mais appartient à une classe d'universalité différente. C'est formidable car cela confirme nos théories de manière très convaincante et suggère que nous sommes vraiment sur quelque chose - un nouveau, loi fondamentale, " dit Markus Oberthaler (également Heidelberg).

Apprendre d'un système sur les autres

L'universalité augmente la possibilité d'obtenir des informations importantes sur les systèmes quantiques qui sont généralement inaccessibles en laboratoire. "Personne ne peut recréer le Big Bang en laboratoire, mais si nous connaissons la classe d'universalité à laquelle il appartient, nous pouvons regarder d'autres systèmes quantiques de la même classe et étudier indirectement les propriétés universelles pendant le Big Bang, " explique Schmiedmayer. " Mieux comprendre le comportement des systèmes quantiques à plusieurs particules qui sont loin de l'équilibre est l'un des problèmes les plus urgents de la physique aujourd'hui. Même avec les meilleurs supercalculateurs, il n'y a aucune chance de calculer précisément ces événements, et donc nos cours d'universalité sont une opportunité majeure d'apprendre quelque chose de nouveau."