Die Quantenphysik bricht alle Regeln. Zum Beispiel die klassischen Gesetze der Thermodynamik, die beschreiben, wie
Das haben Wissenschaftler in einigen Experimenten herausgefundenDas untersuchte Objekt kühlt möglicherweise ab, obwohl es sich um etwas viel Heißeres handelt. Wissenschaftler sagen, es sei so, als würde man eine heiße Bratpfanne aus dem Ofen nehmen, aber die Hand erwärmt sich nicht, sondern kühlt ab.
Um herauszufinden, was mit dem Quantenchaos passiert und wie es sich außerhalb der Gesetze der Thermodynamik hält, führten Physiker ein Experiment mit ultrakalten Lithiumatomen und einem Laser durch.
Anomales Chaos
Nehmen wir ein gewöhnliches Pendel und stoßen es abZeit von verschiedenen Seiten, dann absorbiert es die Aufprallenergie und schwankt und bewegt sich zufällig im Raum. Trotz der scheinbaren Zufälligkeit der Bewegungen lässt es sich leicht mit Hilfe von Gleichungen beschreiben, die die Impulse und Richtungen berücksichtigen, die das Pendel während des Aufpralls erhielt.
In der Quantenwelt ist nicht alles so einfach.Anstatt sich zu bewegen, kann eine Störung dazu führen, dass Partikel „anhalten“. Während zu Beginn des Experiments ein Quantenpendel auf die gleiche Weise wie ein mechanisches Energie absorbieren kann, erreicht es mit der Zeit bei wiederholten Stößen ein Plateau und die Impulsverteilung friert in einem dynamisch lokalisierten Zustand ein.
Um eine solche Anomalie für den Einzelnen zu erklärenTeilchen verwendeten Wissenschaftler Mathematik. Sie glauben, dass quantenmechanische Wahrscheinlichkeitswellen genau so oszillieren und miteinander kollidieren, dass Gipfel und Täler aufeinandertreffen und jede Möglichkeit einer Energieabsorption des Teilchens ausgeschlossen ist.
Aber was passiert im wirklichen Leben wannDie Wechselwirkung, die zwischen vielen Teilchen auftritt, zum Beispiel in einem System, das viele kollidierende Elektronen enthält, blieb nach Jahrzehnten der Kontroverse ein Rätsel.
Mehrfache Lokalisierung
Um zu verstehen, was passieren sollte, WissenschaftlerBieten Sie an, sich eine Tasse vorzustellen, in die Kaffee mit Milch gegossen wird. Wenn kalte Milch in heißen Kaffee gegossen wird, vermischen sich die Partikel mit der Zeit und das gesamte Getränk nimmt einen homogenen Zustand an. Ein solcher Prozess wird als Thermalisierung bezeichnet, und es wurde früher angenommen, dass er in jedem System beobachtet werden sollte.
In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftlererkannt, dass dies nicht immer der Fall ist. Es stellte sich heraus, dass Chaos in einem Quantensystem zur Lokalisierung vieler Körper führt. Das bedeutet, dass das System kein thermisches Gleichgewicht erreichen kann und die Erinnerung an seinen Anfangszustand in lokalen Bereichen für unendliche Zeit behält.
Was haben die Wissenschaftler getan?
Um zu überprüfen, wie der Komplexein System, das aus vielen Teilchen besteht, verwendeten Wissenschaftler Lithiumgas. Sie platzierten etwa 100.000 ultrakalte Atome in einer vertikalen Lichtwelle. Jedes dieser Atome war ein Quantenrotor (Pendel), der mit einem Laserpuls gestartet werden konnte.
Wissenschaftler erklären, dass sie Atome gezwungen habenkollidieren und fliegen auseinander oder nutzen die Feshbach-Resonanz, um sie zusammenzuhalten. Dieser Effekt tritt auf, wenn zwei langsame, kalte Atome kollidieren, wodurch sie vorübergehend zusammenkleben und eine instabile Verbindung mit kurzer Lebensdauer bilden.
Wenn die Teilchen nicht interagierten, die Forscherdas erwartete Ergebnis: Die Partikel erwärmten sich etwas, bevor sie eine konstante Temperatur erreichten. Als die Forscher das Experiment so umstellten, dass die Atome ein wenig wechselwirken konnten, sahen sie zunächst ein Temperaturplateau auf gleicher Höhe. Aber im Gegensatz zur eindimensionalen Theorie begannen sich die Atome schließlich wieder zu erwärmen, wenn auch nicht so schnell, wie es die herkömmliche Thermodynamik vorhersagt.
Versuchsaufbau. Foto: Tony Masters, UCSB
Es stellte sich heraus, dass der neue Staat dies nicht istentsprach weder der klassischen Thermodynamik noch dem erwarteten Verhalten einer lokalisierten Menge von Körpern. Die von den Wissenschaftlern untersuchte Hypothese ging von einem solchen Ergebnis nicht aus, eine andere Theorie beschreibt jedoch ein ähnliches Verhalten. Es gilt für sehr kalte Partikelgruppen, die ein Bose-Einstein-Kondensat bilden. Dies ist eine Phase der Materie, in der alle Teilchen den gleichen Quantenzustand haben.
Die Gleichungen, die das Bose-Kondensat beschreiben, sind −Einstein, sagen Sie die Geschwindigkeit der langsamen Erwärmung genau so voraus, wie es in den Experimenten passiert ist. Das Überraschende dabei ist, dass die von Wissenschaftlern untersuchten Atome kein solches Kondensat waren.
In gewisser Weise ist dies ein Doppelrätsel. Wir wissen nicht wirklich, warum das passiert, aber es gibt eine Theorie, die nicht funktionieren sollte, aber es scheint zu funktionieren.
Victor Galitsky, Co-Autor der Studie
Warum ist das wichtig?
Die beobachteten Plateaus beweisen, dass die Wechselwirkungenzwingen Teilchen nicht immer dazu, den Gesetzen der Thermodynamik zu gehorchen. Durch die Untersuchung, wie sich Gesetze auf der Mikroebene ändern, hoffen die Physiker, eine neue Theorie zu entwickeln, die das Verhalten der Materie sowohl auf der Mikro- als auch auf der Makroebene verknüpft.
Solche Experimente können nicht nur einen neuen eröffnenQuantenphysik, sondern führen auch zur Entwicklung neuer Forschungswerkzeuge. Wenn die Physik hinter diesen Experimenten entschlüsselt werden kann, werden sich die Temperaturplateaus vielleicht eines Tages ausdehnen und zur Entwicklung neuer und besserer Quantentechnologien genutzt werden, sagen die Wissenschaftler.
Weiter lesen:
Es stellte sich heraus, was mit dem menschlichen Gehirn nach einer Stunde im Wald passiert
Es wurde bekannt, welcher Tee Eiweiß im Gehirn zerstört
Seltsame Meeresbewohner in den Tiefen des Ozeans erwiesen sich als menschenähnlich