Η κβαντική φυσική σπάει όλους τους κανόνες. Για παράδειγμα, οι κλασικοί νόμοι της θερμοδυναμικής, που περιγράφουν πώς
Σε ορισμένα πειράματα, οι επιστήμονες το βρήκαντο αντικείμενο υπό μελέτη μπορεί να κρυώνει, αν και είναι με κάτι πολύ πιο ζεστό. Οι επιστήμονες λένε ότι είναι σαν να βγάζετε ένα ζεστό τηγάνι από το φούρνο, αλλά το χέρι σας δεν ζεσταίνεται, αλλά μάλλον κρυώνει.
Για να μάθουν τι συμβαίνει στο κβαντικό χάος και πώς καταφέρνει να μείνει έξω από τους νόμους της θερμοδυναμικής, οι φυσικοί διεξήγαγαν ένα πείραμα με υπερψυχρά άτομα λιθίου και ένα λέιζερ.
Ανώμαλο χάος
Αν πάρουμε ένα συνηθισμένο εκκρεμές και το σπρώξουμε απόχρόνο από διαφορετικές πλευρές, τότε θα απορροφήσει την ενέργεια κρούσης και θα ταλαντευτεί, κινούμενος τυχαία στο διάστημα. Παρά τη φαινομενική τυχαιότητα των κινήσεων, είναι εύκολο να περιγραφεί με τη βοήθεια εξισώσεων που λαμβάνουν υπόψη τις ώσεις και τις κατευθύνσεις που έλαβε το εκκρεμές κατά την κρούση.
Στον κβαντικό κόσμο, όλα δεν είναι τόσο απλά.Αντί να κινείται, η διαταραχή μπορεί να κάνει τα σωματίδια να «σταματούν». Ενώ στην αρχή του πειράματος ένα κβαντικό εκκρεμές μπορεί να απορροφήσει ενέργεια με τον ίδιο τρόπο όπως ένα μηχανικό, με την πάροδο του χρόνου, με επαναλαμβανόμενες κρούσεις, θα φτάσει σε ένα οροπέδιο και η κατανομή της ορμής θα παγώσει σε μια δυναμικά εντοπισμένη κατάσταση.
Για να εξηγήσω μια τέτοια ανωμαλία για άτομοσωματίδια, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τα μαθηματικά. Πιστεύουν ότι τα κβαντομηχανικά κύματα πιθανοτήτων ταλαντώνονται και συγκρούονται μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο ακριβώς που οι κορυφές και οι κοιλότητες συναντώνται και εξαλείφουν κάθε πιθανότητα να απορροφά ενέργεια τα σωματίδια.
Τι συμβαίνει όμως στην πραγματική ζωή ότανη αλληλεπίδραση που συμβαίνει μεταξύ πολλών σωματιδίων, για παράδειγμα, σε ένα σύστημα που περιέχει πολλά συγκρουόμενα ηλεκτρόνια, παρέμεινε μυστήριο μετά από δεκαετίες διαμάχης.
Πολλαπλός εντοπισμός
Για να καταλάβουμε τι πρέπει να συμβαίνει, επιστήμονεςπροσφέρετε να φανταστείτε ένα φλιτζάνι στο οποίο χύνεται καφές με γάλα. Εάν το κρύο γάλα χύνεται σε ζεστό καφέ, τότε με την πάροδο του χρόνου τα σωματίδια αναμιγνύονται και ολόκληρο το ποτό έρχεται σε ομοιογενή κατάσταση. Μια τέτοια διαδικασία ονομάζεται θερμοποίηση και παλαιότερα πίστευαν ότι θα έπρεπε να παρατηρηθεί σε οποιοδήποτε σύστημα.
Τις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονεςσυνειδητοποίησε ότι αυτό δεν συμβαίνει πάντα. Αποδείχθηκε ότι το χάος σε ένα κβαντικό σύστημα οδηγεί στον εντοπισμό πολλών σωμάτων. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα δεν μπορεί να φτάσει σε θερμική ισορροπία και διατηρεί τη μνήμη της αρχικής του κατάστασης σε τοπικές περιοχές για άπειρο χρόνο.
Τι έχουν κάνει οι επιστήμονες;
Για να ελέγξετε πώς το συγκρότημαένα σύστημα που αποτελείται από πολλά σωματίδια, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν αέριο λίθιο. Τοποθέτησαν περίπου 100.000 υπερψυχρά άτομα σε ένα κατακόρυφο κύμα φωτός. Κάθε τέτοιο άτομο ήταν ένας κβαντικός ρότορας (εκκρεμές) που μπορούσε να εκτοξευθεί χρησιμοποιώντας παλμό λέιζερ.
Οι επιστήμονες εξηγούν ότι εξανάγκασαν άτομανα συγκρουστούν και να απομακρυνθούν ή χρησιμοποιήστε τον συντονισμό Feshbach για να τα διατηρήσετε μαζί. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν δύο αργά, ψυχρά άτομα συγκρούονται, κολλώντας προσωρινά μεταξύ τους και σχηματίζοντας μια ασταθή ένωση με μικρή διάρκεια ζωής.
Όταν τα σωματίδια δεν αλληλεπιδρούσαν, οι ερευνητέςείδε το αναμενόμενο αποτέλεσμα: τα σωματίδια θερμάνθηκαν λίγο πριν φτάσουν σε σταθερή θερμοκρασία. Όταν οι ερευνητές προσάρμοσαν το πείραμα έτσι ώστε τα άτομα να μπορούν να αλληλεπιδρούν λίγο, είδαν αρχικά ένα οροπέδιο θερμοκρασίας στο ίδιο επίπεδο. Αλλά σε αντίθεση με τη μονοδιάστατη θεωρία, τα άτομα τελικά άρχισαν να θερμαίνονται ξανά, αν και όχι τόσο γρήγορα όσο προβλέπει η συμβατική θερμοδυναμική.
Πειραματική ρύθμιση. Φωτογραφία: Tony Masters, UCSB
Αποδείχθηκε ότι το νέο κράτος δεν είναιδεν αντιστοιχούσε ούτε στην κλασική θερμοδυναμική ούτε στην αναμενόμενη συμπεριφορά ενός εντοπισμένου συνόλου σωμάτων. Η υπόθεση που μελέτησαν οι επιστήμονες δεν υπέθεσε τέτοιο αποτέλεσμα, αλλά μια άλλη θεωρία περιγράφει παρόμοια συμπεριφορά. Ισχύει για πολύ ψυχρές ομάδες σωματιδίων που σχηματίζουν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αυτή είναι μια φάση της ύλης στην οποία όλα τα σωματίδια έχουν την ίδια κβαντική κατάσταση.
Οι εξισώσεις που περιγράφουν το συμπύκνωμα Bose είναι −Αϊνστάιν, προβλέψτε τον ρυθμό της αργής θέρμανσης ακριβώς όπως συνέβη στα πειράματα. Το εκπληκτικό εδώ είναι ότι τα άτομα που μελέτησαν οι επιστήμονες δεν ήταν τόσο συμπύκνωμα.
Κατά μία έννοια, αυτό είναι ένας διπλός γρίφος. Δεν ξέρουμε πραγματικά γιατί συμβαίνει αυτό, αλλά υπάρχει μια θεωρία που δεν πρέπει να λειτουργεί, αλλά φαίνεται να λειτουργεί.
Victor Galitsky, συν-συγγραφέας της μελέτης
Γιατί είναι αυτό σημαντικό;
Τα παρατηρούμενα οροπέδια αποδεικνύουν ότι οι αλληλεπιδράσειςδεν αναγκάζετε πάντα τα σωματίδια να υπακούουν στους νόμους της θερμοδυναμικής. Διερευνώντας πώς αλλάζουν οι νόμοι σε μικροεπίπεδο, οι φυσικοί ελπίζουν να σχηματίσουν μια νέα θεωρία που συνδέει τη συμπεριφορά της ύλης τόσο σε μικροκλίμακα όσο και σε μακρο κλίμακα.
Τέτοια πειράματα δεν μπορούν μόνο να ανοίξουν ένα νέοκβαντική φυσική, αλλά και να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων ερευνητικών εργαλείων. Εάν η φυσική πίσω από αυτά τα πειράματα μπορεί να αποκαλυφθεί, ίσως μια μέρα τα οροπέδια θερμοκρασίας να επεκταθούν και να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη νέων και καλύτερων κβαντικών τεχνολογιών, λένε οι επιστήμονες.
Διαβάστε περισσότερα:
Αποδείχθηκε τι συμβαίνει στον ανθρώπινο εγκέφαλο μετά από μία ώρα στο δάσος
Έγινε γνωστό ποιο τσάι καταστρέφει την πρωτεΐνη στον εγκέφαλο
Τα περίεργα θαλάσσια πλάσματα στα βάθη του ωκεανού αποδείχτηκαν παρόμοια με τους ανθρώπους