La fisica quantistica infrange tutte le regole. Ad esempio, le leggi classiche della termodinamica, che descrivono come
In alcuni esperimenti, gli scienziati lo hanno scopertol'oggetto in studio potrebbe raffreddarsi, anche se si trova con qualcosa di molto più caldo. Gli scienziati dicono che è come togliere una padella calda dal forno, ma la tua mano non si scalda, ma si raffredda.
Per scoprire cosa succede al caos quantistico e come riesce a stare al di fuori delle leggi della termodinamica, i fisici hanno condotto un esperimento con atomi di litio ultrafreddi e un laser.
Caos anomalo
Se prendiamo un normale pendolo e lo spingiamo viatempo da diversi lati, quindi assorbirà l'energia dell'impatto e oscillerà, muovendosi in modo casuale nello spazio. Nonostante l'apparente casualità dei movimenti, è facile da descrivere con l'aiuto di equazioni che tengono conto degli impulsi e delle direzioni che il pendolo ha ricevuto durante l'impatto.
Nel mondo quantistico, tutto non è così semplice.Invece di muoversi, il disordine può far sì che le particelle si “fermino”. Mentre all'inizio dell'esperimento un pendolo quantistico può assorbire energia allo stesso modo di uno meccanico, col tempo, con impatti ripetuti, raggiungerà un plateau e la distribuzione della quantità di moto si congelerà in uno stato localizzato dinamicamente.
Per spiegare una tale anomalia per l'individuoparticelle, gli scienziati hanno usato la matematica. Credono che le onde di probabilità della meccanica quantistica oscillino e si scontrino tra loro esattamente in modo tale che creste e avvallamenti si incontrino ed eliminino ogni possibilità che la particella assorba energia.
Ma cosa succede nella vita reale quandol'interazione che si verifica tra molte particelle, ad esempio, in un sistema contenente molti elettroni in collisione, è rimasta un mistero dopo decenni di polemiche.
Localizzazione multipla
Per capire cosa dovrebbe succedere, scienziatioffri di immaginare una tazza in cui viene versato il caffè con il latte. Se il latte freddo viene versato nel caffè caldo, nel tempo le particelle si mescolano e l'intera bevanda raggiunge uno stato omogeneo. Tale processo è chiamato termalizzazione e in precedenza si credeva che dovesse essere osservato in qualsiasi sistema.
Negli ultimi decenni, gli scienziaticapito che non è sempre così. Si è scoperto che il caos in un sistema quantistico porta alla localizzazione di molti corpi. Ciò significa che il sistema non può raggiungere l'equilibrio termico e conserva la memoria del suo stato iniziale in aree locali per un tempo infinito.
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
Per verificare come il complessoun sistema composto da molte particelle, gli scienziati hanno utilizzato il gas di litio. Hanno posizionato circa 100.000 atomi ultrafreddi in un'onda di luce verticale. Ciascuno di questi atomi era un rotore quantistico (pendolo) che poteva essere lanciato usando un impulso laser.
Gli scienziati spiegano che hanno forzato gli atomisi scontrano e volano via, oppure usano la risonanza di Feshbach per tenerli insieme. Questo effetto si verifica quando due atomi lenti e freddi si scontrano, unendosi temporaneamente insieme e formando un composto instabile con una durata di vita breve.
Quando le particelle non hanno interagito, i ricercatoriha visto il risultato atteso: le particelle si sono riscaldate un po' prima di raggiungere una temperatura costante. Quando i ricercatori hanno regolato l'esperimento in modo che gli atomi potessero interagire un po', hanno visto prima un plateau di temperatura allo stesso livello. Ma a differenza della teoria unidimensionale, gli atomi alla fine hanno ricominciato a riscaldarsi, anche se non così rapidamente come previsto dalla termodinamica convenzionale.
Setup sperimentale. Foto: Tony Masters, UCSB
Si è scoperto che il nuovo stato non lo ènon corrispondeva né alla termodinamica classica né al comportamento atteso di un insieme localizzato di corpi. L'ipotesi studiata dagli scienziati non presupponeva un simile risultato, ma un'altra teoria descrive un comportamento simile. Si applica a gruppi di particelle molto freddi che formano un condensato di Bose-Einstein. Questa è una fase della materia in cui tutte le particelle hanno lo stesso stato quantico.
Le equazioni che descrivono il condensato di Bose sono −Einstein, prevedi il tasso di riscaldamento lento esattamente come è successo negli esperimenti. La cosa sorprendente qui è che gli atomi studiati dagli scienziati non erano un tale condensato.
In un certo senso, questo è un doppio enigma. Non sappiamo davvero perché questo accada, ma c'è una teoria che non dovrebbe funzionare, ma sembra funzionare.
Victor Galitsky, coautore dello studio
Perché è così importante?
Gli altipiani osservati dimostrano che le interazioninon sempre costringono le particelle a obbedire alle leggi della termodinamica. Indagando come le leggi cambiano a livello micro, i fisici sperano di formare una nuova teoria che colleghi il comportamento della materia sia alla scala micro che a quella macro.
Tali esperimenti non possono solo aprirne uno nuovofisica quantistica, ma anche portare allo sviluppo di nuovi strumenti di ricerca. Se la fisica alla base di questi esperimenti può essere svelata, forse un giorno gli altipiani di temperatura si espanderanno e saranno utilizzati per sviluppare nuove e migliori tecnologie quantistiche, affermano gli scienziati.
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