La physique quantique brise toutes les règles. Par exemple, les lois classiques de la thermodynamique, qui décrivent comment
Dans certaines expériences, les scientifiques ont découvert quel'objet étudié peut être en train de se refroidir, même s'il s'agit de quelque chose de beaucoup plus chaud. Les scientifiques disent que c'est comme sortir une poêle chaude du four, mais votre main ne chauffe pas, mais refroidit.
Pour savoir ce qu'il advient du chaos quantique et comment il parvient à rester en dehors des lois de la thermodynamique, des physiciens ont mené une expérience avec des atomes de lithium ultrafroids et un laser.
Chaos anormal
Si nous prenons un pendule ordinaire et le poussons detemps de différents côtés, alors il absorbera l'énergie d'impact et se balancera, se déplaçant au hasard dans l'espace. Malgré l'apparence aléatoire des mouvements, il est facile à décrire à l'aide d'équations qui tiennent compte des impulsions et des directions que le pendule a reçues lors de l'impact.
Dans le monde quantique, tout n’est pas si simple.Au lieu de bouger, le désordre peut provoquer l’arrêt des particules. Alors qu'au début de l'expérience un pendule quantique peut absorber de l'énergie de la même manière qu'un pendule mécanique, au fil du temps, avec des impacts répétés, il atteindra un plateau et la distribution de l'impulsion se figera dans un état dynamiquement localisé.
Pour expliquer une telle anomalie à un individuparticules, les scientifiques ont utilisé les mathématiques. Ils croient que les ondes de probabilité de la mécanique quantique oscillent et entrent en collision les unes avec les autres précisément de telle manière que les crêtes et les creux se rencontrent et éliminent toute possibilité que la particule absorbe de l'énergie.
Mais que se passe-t-il dans la vraie vie quandl'interaction qui se produit entre de nombreuses particules, par exemple, dans un système contenant de nombreux électrons en collision, est restée un mystère après des décennies de controverse.
Localisation multiple
Pour comprendre ce qui devrait se passer, les scientifiquesproposer d'imaginer une tasse dans laquelle on verse du café au lait. Si du lait froid est versé dans du café chaud, les particules se mélangent avec le temps et la boisson entière atteint un état homogène. Un tel processus est appelé thermalisation, et on pensait auparavant qu'il devait être observé dans n'importe quel système.
Au cours des dernières décennies, les scientifiquesrendu compte que ce n'est pas toujours le cas. Il s'est avéré que le chaos dans un système quantique conduit à la localisation de nombreux corps. Cela signifie que le système ne peut pas atteindre l'équilibre thermique et conserve la mémoire de son état initial dans les zones locales pendant un temps infini.
Qu'ont fait les scientifiques ?
Pour vérifier comment le complexeun système composé de nombreuses particules, les scientifiques ont utilisé du lithium gazeux. Ils ont placé environ 100 000 atomes ultrafroids dans une onde verticale de lumière. Chacun de ces atomes était un rotor quantique (pendule) qui pouvait être lancé à l'aide d'une impulsion laser.
Les scientifiques expliquent qu'ils ont forcé les atomesentrent en collision et s'envolent, ou utilisent la résonance de Feshbach pour les maintenir ensemble. Cet effet se produit lorsque deux atomes lents et froids entrent en collision, les faisant temporairement coller ensemble et former un composé instable avec une courte durée de vie.
Lorsque les particules n'interagissaient pas, les chercheursa vu le résultat attendu : les particules se sont réchauffées un peu avant d'atteindre une température constante. Lorsque les chercheurs ont ajusté l'expérience pour que les atomes puissent interagir un peu, ils ont d'abord vu un plateau de température au même niveau. Mais contrairement à la théorie unidimensionnelle, les atomes ont finalement recommencé à se réchauffer, mais pas aussi rapidement que le prédit la thermodynamique conventionnelle.
Montage expérimental. Photo : Tony Masters, UCSB
Il s'est avéré que le nouvel État n'est pasne correspondait ni à la thermodynamique classique ni au comportement attendu d'un ensemble localisé de corps. L'hypothèse selon laquelle les scientifiques étudiés ne supposaient pas un tel résultat, mais une autre théorie décrit un comportement similaire. Elle s'applique aux groupes de particules très froids qui forment un condensat de Bose-Einstein. Il s'agit d'une phase de la matière dans laquelle toutes les particules ont le même état quantique.
Les équations décrivant le condensat de Bose sont -Einstein, prédisez le taux de chauffage lent exactement comme il s'est produit dans les expériences. La chose surprenante ici est que les atomes étudiés par les scientifiques n'étaient pas un tel condensat.
En un sens, c'est une double énigme. Nous ne savons pas vraiment pourquoi cela se produit, mais il existe une théorie qui ne devrait pas fonctionner, mais elle semble fonctionner.
Victor Galitsky, co-auteur de l'étude
Pourquoi est-ce important?
Les plateaux observés prouvent que les interactionsne forcez pas toujours les particules à obéir aux lois de la thermodynamique. En étudiant comment les lois changent au niveau micro, les physiciens espèrent former une nouvelle théorie qui relie le comportement de la matière aux échelles micro et macro.
De telles expériences peuvent non seulement ouvrir une nouvellephysique quantique, mais aussi au développement de nouveaux outils de recherche. Si la physique derrière ces expériences peut être démêlée, peut-être qu'un jour les plateaux de température s'étendront et seront utilisés pour développer de nouvelles et meilleures technologies quantiques, disent les scientifiques.
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