Kvanttifysiikka rikkoo kaikkia sääntöjä. Esimerkiksi klassiset termodynamiikan lait, jotka kuvaavat kuinka
Joissakin kokeissa tutkijat ovat havainneet sentutkittava kohde saattaa olla jäähtymässä, vaikka se onkin jonkin paljon kuumemman kanssa. Tiedemiehet sanovat, että se on kuin ottaisi kuuma paistinpannu uunista, mutta kätesi ei kuumene, vaan pikemminkin jäähtyy.
Selvittääkseen, mitä kvanttikaaokselle tapahtuu ja kuinka se onnistuu pysymään termodynamiikan lakien ulkopuolella, fyysikot suorittivat kokeen ultrakylmillä litiumatomeilla ja laserilla.
Epänormaali kaaos
Jos otamme tavallisen heilurin ja työnnämme sitä poisaikaa eri puolilta, niin se absorboi iskuenergian ja heiluu liikkuen satunnaisesti avaruudessa. Liikkeiden näennäisestä satunnaisuudesta huolimatta sitä on helppo kuvata yhtälöiden avulla, jotka ottavat huomioon heilurin törmäyksen aikana saamat impulssit ja suunnat.
Kvanttimaailmassa kaikki ei ole niin yksinkertaista.Liikkumisen sijaan häiriö voi saada hiukkaset "pysähtymään". Vaikka kokeen alussa kvanttiheiluri voi absorboida energiaa samalla tavalla kuin mekaaninen, se saavuttaa ajan mittaan toistuvilla iskuilla tasanteelle ja liikemäärän jakautuminen jäätyy dynaamisesti lokalisoituun tilaan.
Selittääkseen tällaisen poikkeavuuden yksilöllehiukkasia, tutkijat käyttivät matematiikkaa. He uskovat, että kvanttimekaaniset todennäköisyysaallot värähtelevät ja törmäävät toisiinsa juuri sillä tavalla, että harjat ja kourut kohtaavat ja eliminoivat kaiken mahdollisuuden, että hiukkanen absorboi energiaa.
Mutta mitä tapahtuu oikeassa elämässä, kunvuorovaikutus, joka tapahtuu monien hiukkasten välillä, esimerkiksi järjestelmässä, joka sisältää useita törmääviä elektroneja, jäi mysteeriksi vuosikymmeniä kestäneen kiistan jälkeen.
Useita lokalisointia
Ymmärtääkseen, mitä pitäisi tapahtua, tiedemiehettarjoa kuvitella kuppi, johon kaadetaan kahvia ja maitoa. Jos kylmää maitoa kaadetaan kuumaan kahviin, hiukkaset sekoittuvat ajan myötä ja koko juoma tulee homogeeniseen tilaan. Tällaista prosessia kutsutaan lämpökäsittelyksi, ja aiemmin uskottiin, että sitä tulisi havaita missä tahansa järjestelmässä.
Muutaman viime vuosikymmenen aikana tiedemiehetymmärtänyt, että näin ei aina ole. Kävi ilmi, että kaaos kvanttijärjestelmässä johtaa monien kappaleiden lokalisoitumiseen. Tämä tarkoittaa, että järjestelmä ei voi saavuttaa lämpötasapainoa ja säilyttää muistin alkutilastaan paikallisilla alueilla äärettömän ajan.
Mitä tutkijat ovat tehneet?
Voit tarkistaa kuinka monimutkainenjärjestelmä, joka koostuu monista hiukkasista, tutkijat käyttivät litiumkaasua. He asettivat noin 100 000 ultrakylmää atomia pystysuoraan valon aaltoon. Jokainen tällainen atomi oli kvanttiroottori (heiluri), joka voitiin laukaista laserpulssilla.
Tutkijat selittävät, että he pakottivat atomejatörmää ja lentää erilleen tai käytä Feshbach-resonanssia pitämään ne yhdessä. Tämä vaikutus ilmenee, kun kaksi hidasta, kylmää atomia törmäävät toisiinsa väliaikaisesti ja muodostavat epävakaan yhdisteen, jonka elinikä on lyhyt.
Kun hiukkaset eivät olleet vuorovaikutuksessa, tutkijatnäki odotetun tuloksen: hiukkaset lämpenivät hieman ennen kuin ne saavuttivat vakiolämpötilan. Kun tutkijat sääsivät koetta niin, että atomit voisivat olla vähän vuorovaikutuksessa, he näkivät ensin lämpötilatasannen samalla tasolla. Mutta toisin kuin yksiulotteisessa teoriassa, atomit alkoivat lopulta lämmetä uudelleen, vaikkakaan ei niin nopeasti kuin tavanomainen termodynamiikka ennustaa.
Kokeellinen asennus. Kuva: Tony Masters, UCSB
Kävi ilmi, että uusi tila ei vastannut klassista termodynamiikkaa tai paikallisen kehon odotettua käyttäytymistä.Hypoteesi, jota tutkijat tutkivat, ei olettanut tällaista tulosta, mutta se kuvaa tällaista käyttäytymistäSitä sovelletaan hyvin kylmiin hiukkasryhmiin, jotka muodostavatBosen–Einsteinin kondensaatti: Tämä on aineen vaihe, jossa kaikilla hiukkasilla onsama kvanttitila.
Bosen kondensaattia kuvaavat yhtälöt ovat −Einstein, ennusta hitaan kuumenemisen nopeus täsmälleen kuten tapahtui kokeissa. Yllättävää tässä on, että tutkijoiden tutkimat atomit eivät olleet sellaista kondensaattia.
Tietyssä mielessä tämä on kaksinkertainen arvoitus. Emme todellakaan tiedä miksi näin tapahtuu, mutta on teoria, jonka ei pitäisi toimia, mutta se näyttää toimivan.
Victor Galitsky, tutkimuksen toinen kirjoittaja
Miksi tämä on tärkeää?
Havaitut tasangot osoittavat, että vuorovaikutuksetälä aina pakota hiukkasia noudattamaan termodynamiikan lakeja. Tutkimalla lakien muuttumista mikrotasolla fyysikot toivovat muodostavansa uuden teorian, joka yhdistää aineen käyttäytymisen sekä mikro- että makromittakaavassa.
Tällaiset kokeilut eivät voi vain avata uuttakvanttifysiikkaa, vaan johtavat myös uusien tutkimusvälineiden kehittämiseen. Jos näiden kokeiden taustalla oleva fysiikka voidaan selvittää, ehkä jonain päivänä lämpötilatasangot laajenevat ja niitä käytetään uusien ja parempien kvanttitekniikoiden kehittämiseen, tutkijat sanovat.
Lue lisää:
Kävi ilmi, mitä tapahtuu ihmisen aivoille tunnin kuluttua metsässä
Tuli tiedoksi, mikä tee tuhoaa proteiinia aivoissa
Meren syvyyksissä olevat oudot meriolennot osoittautuivat samanlaisiksi kuin ihmiset