Kvantová fyzika porušuje všechna pravidla. Například klasické zákony termodynamiky, které popisují jak
V některých experimentech to vědci zjistilizkoumaný objekt se může ochlazovat, i když je to s něčím mnohem teplejším. Podle vědců je to jako vytáhnout z trouby rozpálenou pánev, ale ruka se nezahřeje, ale naopak ochladí.
Aby fyzici zjistili, co se stane s kvantovým chaosem a jak se mu podaří zůstat mimo zákony termodynamiky, provedli experiment s ultrachladnými atomy lithia a laserem.
Neobvyklý chaos
Vezmeme-li obyčejné kyvadlo a tlačíme na nějčas z různých stran, pak bude absorbovat energii nárazu a houpat se a náhodně se pohybovat v prostoru. I přes zdánlivou nahodilost pohybů se dá snadno popsat pomocí rovnic, které zohledňují impulsy a směry, které kyvadlo při dopadu dostalo.
V kvantovém světě není všechno tak jednoduché.Místo pohybu může nepořádek způsobit, že se částice „zastaví“. Zatímco na začátku experimentu může kvantové kyvadlo absorbovat energii stejně jako mechanické, po čase se opakovanými dopady dostane na plató a rozložení hybnosti zamrzne v dynamicky lokalizovaném stavu.
Vysvětlit takovou anomálii pro jednotlivcečástice, vědci použili matematiku. Věří, že kvantově mechanické pravděpodobnostní vlny oscilují a narážejí do sebe přesně takovým způsobem, že se hřebeny a prohlubně setkávají a eliminují jakoukoli možnost, že částice absorbuje energii.
Ale co se stane v reálném životě, kdyžinterakce, ke které dochází mezi mnoha částicemi, například v systému obsahujícím mnoho kolidujících elektronů, zůstala po desetiletích sporů záhadou.
Vícenásobná lokalizace
Abychom pochopili, co by se mělo stát, vědcinabídnout si představit šálek, do kterého se nalévá káva s mlékem. Pokud se studené mléko nalije do horké kávy, časem se částice smíchají a celý nápoj se dostane do homogenního stavu. Takový proces se nazývá termalizace a dříve se mělo za to, že by měl být pozorován v jakémkoli systému.
Během několika posledních desetiletí vědciuvědomili, že tomu tak není vždy. Ukázalo se, že chaos v kvantovém systému vede k lokalizaci mnoha těles. To znamená, že systém nemůže dosáhnout tepelné rovnováhy a uchovává si paměť svého počátečního stavu v místních oblastech po nekonečnou dobu.
Co vědci udělali?
Chcete-li zkontrolovat, jak komplexsystém skládající se z mnoha částic, vědci použili plyn lithia. Do vertikální vlny světla umístili asi 100 000 ultrachladných atomů. Každý takový atom byl kvantový rotor (kyvadlo), který mohl být vypuštěn pomocí laserového pulsu.
Vědci vysvětlují, že vynutili atomyse srazí a rozletí se, nebo použijte Feshbachovu rezonanci, abyste je udrželi pohromadě. K tomuto efektu dochází, když se srazí dva pomalé, studené atomy, což způsobí jejich dočasné slepení a vytvoření nestabilní sloučeniny s krátkou životností.
Když částice neinteragovaly, vědcividěl očekávaný výsledek: částice se trochu zahřály, než dosáhly konstantní teploty. Když vědci experiment upravili tak, aby atomy mohly trochu interagovat, spatřili nejprve teplotní plošinu na stejné úrovni. Ale na rozdíl od jednorozměrné teorie se atomy nakonec začaly znovu zahřívat, i když ne tak rychle, jak předpovídá konvenční termodynamika.
Experimentální nastavení. Foto: Tony Masters, UCSB
Получилось, что новое состояние не neodpovídalo klasické termodynamice ani očekávanému chování lokalizovaného souboru těles. Hypotéza, kterou vědci zkoumali, takový výsledek nepředpokládala, ale podobná chování popisuje jiná teorie. Platí pro velmi chladné skupiny částic, které tvoří Bose-Einsteinův kondenzát. Jedná se o fázi hmoty, ve které mají všechny částice stejný kvantový stav.
Rovnice popisující Boseův kondenzát jsou −Einsteine, předpovězte rychlost pomalého ohřevu přesně tak, jak se to stalo v experimentech. Zde je překvapivé, že atomy, které vědci zkoumali, nebyly takovým kondenzátem.
V jistém smyslu jde o dvojitou hádanku. Opravdu nevíme, proč se to děje, ale existuje teorie, která by neměla fungovat, ale zdá se, že funguje.
Victor Galitsky, spoluautor studie
Proč je to důležité?
Pozorované plošiny dokazují, že interakcene vždy nutit částice, aby se řídily zákony termodynamiky. Zkoumáním toho, jak se zákony mění na mikroúrovni, fyzici doufají, že vytvoří novou teorii, která spojí chování hmoty na mikro a makro úrovni.
Takové experimenty mohou nejen otevřít novékvantové fyziky, ale také vést k vývoji nových výzkumných nástrojů. Pokud se podaří rozluštit fyziku za těmito experimenty, možná se jednoho dne teplotní plošiny rozšíří a budou použity k vývoji nových a lepších kvantových technologií, říkají vědci.
Přečtěte si více:
Ukázalo se, co se stane s lidským mozkem po hodině v lese
Bylo známo, který čaj ničí bílkoviny v mozku
Podivná mořská stvoření v hlubinách oceánu se ukázala být podobná lidem