Kvantefysikken bryder alle reglerne. For eksempel termodynamikkens klassiske love, som beskriver hvordan
I nogle eksperimenter har forskere fundet detobjektet under undersøgelse er muligvis ved at køle ned, selvom det er med noget meget varmere. Forskere siger, at det er som at tage en varm bradepande ud af ovnen, men din hånd bliver ikke varm, men køler derimod ned.
For at finde ud af, hvad der sker med kvantekaos, og hvordan det formår at holde sig uden for termodynamikkens love, gennemførte fysikere et eksperiment med ultrakolde lithiumatomer og en laser.
Unormalt kaos
Hvis vi tager et almindeligt pendul og skubber det fratid fra forskellige sider, så vil den absorbere stødenergien og svaje og bevæge sig tilfældigt i rummet. På trods af bevægelsernes tilsyneladende tilfældigheder er det let at beskrive ved hjælp af ligninger, der tager højde for de impulser og retninger, som pendulet modtog under sammenstødet.
I kvanteverdenen er alt ikke så enkelt.I stedet for at bevæge sig kan uorden få partikler til at "stoppe". Mens et kvantependul i begyndelsen af eksperimentet kan absorbere energi på samme måde som et mekanisk, vil det over tid med gentagne stød nå et plateau, og momentumfordelingen vil fryse i en dynamisk lokaliseret tilstand.
For at forklare en sådan anomali for den enkeltepartikler brugte videnskabsmænd matematik. De mener, at kvantemekaniske sandsynlighedsbølger oscillerer og kolliderer med hinanden på netop en sådan måde, at toppe og trug mødes og eliminerer enhver mulighed for, at partiklen absorberer energi.
Men hvad sker der i det virkelige liv hvornården interaktion, der opstår mellem mange partikler, for eksempel i et system, der indeholder mange kolliderende elektroner, forblev et mysterium efter årtiers kontroverser.
Multiple lokalisering
For at forstå, hvad der burde ske, videnskabsmændtilbyde at forestille sig en kop, hvori der hældes kaffe med mælk. Hvis kold mælk hældes i varm kaffe, blandes partiklerne over tid, og hele drikken kommer til en homogen tilstand. En sådan proces kaldes termalisering, og man troede tidligere, at den skulle observeres i ethvert system.
I løbet af de sidste par årtier har videnskabsmændindså, at det ikke altid er tilfældet. Det viste sig, at kaos i et kvantesystem fører til lokalisering af mange kroppe. Det betyder, at systemet ikke kan nå termisk ligevægt og bevarer hukommelsen om sin oprindelige tilstand i lokale områder i uendelig tid.
Hvad har forskerne gjort?
For at kontrollere, hvordan kompleksetet system bestående af mange partikler, videnskabsmænd brugte lithiumgas. De placerede omkring 100.000 ultrakolde atomer i en lodret bølge af lys. Hvert sådant atom var en kvanterotor (pendul), der kunne affyres ved hjælp af en laserimpuls.
Forskere forklarer, at de fremtvang atomerkollidere og flyve fra hinanden, eller brug Feshbach-resonans til at holde dem sammen. Denne effekt opstår, når to langsomme, kolde atomer støder sammen, midlertidigt klæber sammen og danner en ustabil forbindelse med en kort levetid.
Da partiklerne ikke interagerede, forskerneså det forventede resultat: partiklerne varmede lidt op, før de nåede en konstant temperatur. Da forskerne justerede forsøget, så atomerne kunne interagere lidt, så de først et temperaturplateau på samme niveau. Men i modsætning til den endimensionelle teori, begyndte atomerne til sidst at varme op igen, dog ikke så hurtigt som konventionel termodynamik ville forudsige.
Forsøgsopstilling. Foto: Tony Masters, UCSB
Det viste sig, at den nye stat ikke er detsvarede hverken til klassisk termodynamik eller den forventede opførsel af et lokaliseret sæt af legemer. Hypotesen, som forskerne studerede, antog ikke et sådant resultat, men en anden teori beskriver lignende adfærd. Det gælder for meget kolde grupper af partikler, der danner et Bose-Einstein-kondensat. Dette er en stoffase, hvor alle partikler har samme kvantetilstand.
Ligningerne, der beskriver Bose-kondensatet er -Einstein, forudsige hastigheden af langsom opvarmning præcis som det skete i eksperimenterne. Det overraskende her er, at de atomer, der blev undersøgt af videnskabsmænd, ikke var sådan et kondensat.
I en vis forstand er dette en dobbelt gåde. Vi ved ikke rigtig, hvorfor det sker, men der er en teori, der ikke burde virke, men det ser ud til at virke.
Victor Galitsky, studie medforfatter
Hvorfor er dette vigtigt?
De observerede plateauer beviser, at interaktionerneikke altid tvinge partikler til at adlyde termodynamikkens love. Ved at undersøge, hvordan love ændrer sig på mikroniveau, håber fysikere at danne en ny teori, der forbinder stoffets adfærd på både mikro- og makroskalaen.
Sådanne eksperimenter kan ikke kun åbne en nykvantefysik, men også føre til udvikling af nye forskningsværktøjer. Hvis fysikken bag disse eksperimenter kan optrevles, vil temperaturplateauerne måske en dag udvide sig og blive brugt til at udvikle nye og bedre kvanteteknologier, siger forskerne.
Læs mere:
Det viste sig, hvad der sker med den menneskelige hjerne efter en time i skoven
Det blev kendt, hvilken te der ødelægger protein i hjernen
Mærkelige havdyr i havets dybder viste sig at ligne mennesker