La física cuántica rompe todas las reglas. Por ejemplo, las leyes clásicas de la termodinámica, que describen cómo
En algunos experimentos, los científicos han descubierto queel objeto en estudio puede estar enfriándose, aunque sea con algo mucho más caliente. Los científicos dicen que es como sacar una sartén caliente del horno, pero la mano no se calienta, sino que se enfría.
Para averiguar qué sucede con el caos cuántico y cómo logra permanecer fuera de las leyes de la termodinámica, los físicos realizaron un experimento con átomos de litio ultrafríos y un láser.
Caos anómalo
Si tomamos un péndulo ordinario y lo empujamos desdetiempo desde diferentes lados, luego absorberá la energía del impacto y se balanceará, moviéndose aleatoriamente en el espacio. A pesar de la aparente aleatoriedad de los movimientos, es fácil de describir con la ayuda de ecuaciones que tienen en cuenta los impulsos y direcciones que recibió el péndulo durante el impacto.
En el mundo cuántico no todo es tan sencillo.En lugar de moverse, el desorden puede hacer que las partículas se "detengan". Mientras que al comienzo del experimento un péndulo cuántico puede absorber energía de la misma manera que uno mecánico, con el tiempo, con impactos repetidos, alcanzará una meseta y la distribución del momento se congelará en un estado localizado dinámicamente.
Para explicar tal anomalía para individuospartículas, los científicos utilizaron las matemáticas. Creen que las ondas de probabilidad de la mecánica cuántica oscilan y chocan entre sí precisamente de tal manera que las crestas y los valles se encuentran y eliminan cualquier posibilidad de que la partícula absorba energía.
Pero, ¿qué sucede en la vida real cuandola interacción que ocurre entre muchas partículas, por ejemplo, en un sistema que contiene muchos electrones en colisión, siguió siendo un misterio después de décadas de controversia.
Localización múltiple
Para comprender lo que debería estar sucediendo, los científicosofrezca imaginar una taza en la que se vierte café con leche. Si se vierte leche fría en café caliente, con el tiempo las partículas se mezclan y toda la bebida llega a un estado homogéneo. Tal proceso se llama termalización, y anteriormente se creía que debería observarse en cualquier sistema.
Durante las últimas décadas, los científicosse dio cuenta de que no siempre es así. Resultó que el caos en un sistema cuántico conduce a la localización de muchos cuerpos. Esto significa que el sistema no puede alcanzar el equilibrio térmico y retiene la memoria de su estado inicial en áreas locales por un tiempo infinito.
¿Qué han hecho los científicos?
Para comprobar cómo funciona el complejoun sistema que consta de muchas partículas, los científicos utilizaron gas de litio. Colocaron unos 100.000 átomos ultrafríos en una onda vertical de luz. Cada uno de esos átomos era un rotor cuántico (péndulo) que podía lanzarse usando un pulso láser.
Los científicos explican que forzaron a los átomos.chocan y se separan, o usan la resonancia de Feshbach para mantenerlos juntos. Este efecto se produce cuando dos átomos lentos y fríos chocan, lo que hace que se peguen temporalmente y formen un compuesto inestable con una vida útil corta.
Cuando las partículas no interactuaron, los investigadoresvio el resultado esperado: las partículas se calentaron un poco antes de alcanzar una temperatura constante. Cuando los investigadores ajustaron el experimento para que los átomos pudieran interactuar un poco, primero vieron una meseta de temperatura en el mismo nivel. Pero a diferencia de la teoría unidimensional, los átomos eventualmente comenzaron a calentarse nuevamente, aunque no tan rápido como predice la termodinámica convencional.
Configuración experimental. Foto: Tony Masters, UCSB
Resultó que el nuevo estado no esno correspondía ni a la termodinámica clásica ni al comportamiento esperado de un conjunto localizado de cuerpos. La hipótesis que estudiaron los científicos no suponía tal resultado, pero otra teoría describe un comportamiento similar. Se aplica a grupos de partículas muy fríos que forman un condensado de Bose-Einstein. Esta es una fase de la materia en la que todas las partículas tienen el mismo estado cuántico.
Las ecuaciones que describen el condensado de Bose son −Einstein, prediga la tasa de calentamiento lento exactamente como sucedió en los experimentos. Lo sorprendente aquí es que los átomos estudiados por los científicos no eran tal condensado.
En cierto sentido, se trata de un doble acertijo. Realmente no sabemos por qué sucede esto, pero hay una teoría que no debería funcionar, pero parece funcionar.
Victor Galitsky, coautor del estudio
¿Por qué es esto importante?
Las mesetas observadas prueban que las interaccionesNo siempre obligues a las partículas a obedecer las leyes de la termodinámica. Al investigar cómo cambian las leyes en el nivel micro, los físicos esperan formar una nueva teoría que vincule el comportamiento de la materia en las escalas micro y macro.
Tales experimentos no sólo pueden abrir una nuevala física cuántica, sino que también conducen al desarrollo de nuevas herramientas de investigación. Si se puede desentrañar la física detrás de estos experimentos, tal vez algún día las mesetas de temperatura se amplíen y se utilicen para desarrollar nuevas y mejores tecnologías cuánticas, dicen los científicos.
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