Teoria da hidrodinâmica flutuante pode descrever sistemas caóticos de muitos corpos, sugere estudo

Embora sistemas consistindo de muitas partículas pequenas interagindo possam ser altamente complexos e caóticos, alguns podem, no entanto, ser descritos usando teorias simples. Isso também se aplica ao mundo da física quântica?

Uma equipe de pesquisa liderada pela Professora Monika Aidelsburger e pelo Professor Immanuel Bloch da Faculdade de Física da LMU investigou essa questão sobre sistemas quânticos de muitos corpos e encontrou indicações de que eles podem ser descritos macroscopicamente por meio de equações de difusão simples com ruído aleatório. O estudo foi publicado recentemente no periódico Física da Natureza.

“Se você quiser descrever o comportamento do fluxo da água, não precisa começar com a física das moléculas de água. Em vez disso, você pode formular equações de fluxo e analisar o problema em uma base puramente macroscópica”, explica Julian Wienand, candidato a doutorado na equipe de pesquisa de Immanuel Bloch e autor principal do novo estudo.

Essa abordagem é conhecida como hidrodinâmica. No entanto, quando observamos o movimento de pequenas partículas na água, vemos que elas não são apenas carregadas pelo fluxo, mas também fazem pequenos movimentos erráticos conhecidos como movimento browniano. Essas flutuações são uma consequência direta das colisões aleatórias das partículas com moléculas de água individuais.

“Como esses movimentos erráticos são aleatórios, podemos descrevê-los como ruído branco, e a hidrodinâmica se torna hidrodinâmica flutuante (FHD)”, diz Wienand. “Notavelmente, essa teoria FHD nos diz que, sob certas circunstâncias, todo o comportamento de um sistema pode ser determinado por uma única quantidade: a constante de difusão — mesmo que a física seja muito complexa e caótica no nível microscópico.” Isso simplifica muito a descrição macroscópica de tais sistemas e elimina a necessidade de se envolver com uma descrição das interações microscópicas das partículas.

Isso também se aplica aos sistemas quânticos?

Suspeita-se que sistemas caóticos poderiam ser descritos geralmente por FHD. Mas se e até que ponto isso também é verdade para sistemas quânticos caóticos permanece em grande parte uma questão em aberto. As leis da física que determinam como as partículas quânticas interagem são fundamentalmente diferentes daquelas que governam as partículas clássicas e são caracterizadas por fenômenos como “incerteza” e “emaranhamento”, que desafiam a intuição cotidiana. Ao mesmo tempo, os sistemas quânticos são ainda mais difíceis de calcular e poderiam, portanto, se beneficiar particularmente de uma descrição FHD.

A equipe de pesquisa buscou essa questão estudando o comportamento de sistemas quânticos caóticos de muitos corpos sob o microscópio. Para observar a dinâmica, a equipe preparou um sistema quântico de átomos de césio ultrafrios em redes ópticas em um estado inicial de não equilíbrio e então o deixou evoluir livremente.

“A alta resolução do nosso sistema de imagens nos permite medir não apenas a densidade média das partículas nos locais da rede, mas também suas flutuações”, diz Wienand. “Assim, fomos capazes de medir como as flutuações e correlações de densidade crescem ao longo do tempo e concluímos que o FHD descreve nosso sistema tanto qualitativa quanto quantitativamente.” Os pesquisadores consideram isso uma indicação importante de que sistemas quânticos caóticos, apesar de sua complexidade microscópica, podem ser descritos simplesmente como um processo de difusão macroscópico — semelhante ao movimento browniano.