פיזיקאים חקרו את טבעו של הכאוס הקוונטי: מדוע התרמודינמיקה הפסיקה לעבוד

הפיזיקה הקוונטית שוברת את כל הכללים. לדוגמה, החוקים הקלאסיים של התרמודינמיקה, המתארים כיצד

חום ואנרגיה נעים והופכים ל"המלצות" שניתן להזניח במקרה של החלקיקים הקטנים ביותר.

בכמה ניסויים, מדענים מצאו זאתייתכן שהאובייקט הנחקר מתקרר, למרות שהוא עם משהו הרבה יותר חם. מדענים אומרים שזה כמו להוציא מחבת חמה מהתנור, אבל היד שלך לא מתחממת, אלא מתקררת. 

כדי לגלות מה קורה לכאוס קוונטי וכיצד הוא מצליח להישאר מחוץ לחוקי התרמודינמיקה, ערכו פיזיקאים ניסוי עם אטומי ליתיום קרים במיוחד ולייזר.

כאוס חריג

אם ניקח מטוטלת רגילה ונדחוף אותה ממנהזמן מצדדים שונים, ואז הוא יספוג את אנרגיית ההשפעה ויתנדנד, נע באקראי בחלל. למרות האקראיות לכאורה של התנועות, קל לתאר בעזרת משוואות שלוקחות בחשבון את הדחפים והכיוונים שקיבלה המטוטלת במהלך הפגיעה.

בעולם הקוונטי הכל לא כל כך פשוט.במקום לזוז, אי סדר יכול לגרום לחלקיקים "להפסיק". בעוד שבתחילת הניסוי מטוטלת קוונטית יכולה לספוג אנרגיה באותו אופן כמו מטוטלת מכנית, עם הזמן, עם פגיעות חוזרות ונשנות, היא תגיע לרמה והתפלגות המומנטום תקפא במצב מקומי דינמי. 

להסביר חריגה כזו לאדםחלקיקים, מדענים השתמשו במתמטיקה. הם מאמינים שגלי הסתברות מכאניים קוונטיים מתנודדים ומתנגשים זה בזה בדיוק בצורה כזו שפסגות ושפלים נפגשים ומבטלים כל אפשרות לספוג אנרגיה של החלקיקים. 

אבל מה קורה בחיים האמיתיים מתיהאינטראקציה המתרחשת בין חלקיקים רבים, למשל, במערכת המכילה אלקטרונים רבים מתנגשים, נותרה בגדר תעלומה לאחר עשרות שנים של מחלוקת.

לוקליזציה מרובה

כדי להבין מה צריך לקרות, מדעניםמציעים לדמיין כוס שאליה מוזגים קפה עם חלב. אם יוצקים חלב קר לקפה חם, עם הזמן החלקיקים מתערבבים, והמשקה כולו מגיע למצב הומוגני. תהליך כזה נקרא תרמליזציה, וקודם לכן האמינו שיש לבחון אותו בכל מערכת.

במהלך העשורים האחרונים, מדעניםהבינו שזה לא תמיד כך. התברר שכאוס במערכת קוונטית מוביל ללוקליזציה של גופים רבים. המשמעות היא שהמערכת אינה יכולה להגיע לשיווי משקל תרמי ושומרת על זיכרון המצב ההתחלתי שלה באזורים מקומיים למשך זמן אינסופי.

מה עשו המדענים?

כדי לבדוק איך המתחםמערכת המורכבת מחלקיקים רבים, מדענים השתמשו בגז ליתיום. הם הציבו כ-100,000 אטומים קרים במיוחד בגל אנכי של אור. כל אטום כזה היה רוטור קוונטי (מטוטלת) שניתן היה לשגר באמצעות דופק לייזר.

מדענים מסבירים שהם הכריחו אטומיםלהתנגש ולעוף זה מזה, או להשתמש בתהודה של פשבך כדי לשמור אותם יחד. אפקט זה מתרחש כאשר שני אטומים איטיים וקרים מתנגשים, מה שגורם להם להיצמד זמנית וליצור תרכובת לא יציבה עם אורך חיים קצר. 

כשהחלקיקים לא קיימו אינטראקציה, החוקריםראו את התוצאה הצפויה: החלקיקים התחממו מעט לפני שהגיעו לטמפרטורה קבועה. כאשר החוקרים התאימו את הניסוי כך שהאטומים יוכלו לתקשר מעט, הם ראו לראשונה רמת טמפרטורה באותה רמה. אבל בניגוד לתיאוריה החד-ממדית, האטומים החלו בסופו של דבר להתחמם שוב, אם כי לא מהר כפי שחוזה התרמודינמיקה הקונבנציונלית.

הגדרה נסיונית. צילום: טוני מאסטרס, UCSB

התברר שהמדינה החדשה לאלא התאימה לא לתרמודינמיקה קלאסית ולא להתנהגות הצפויה של קבוצה מקומית של גופים. ההשערה שהמדענים חקרו לא הניחה תוצאה כזו, אבל תיאוריה אחרת מתארת ​​התנהגות דומה. זה חל על קבוצות קרות מאוד של חלקיקים היוצרות עיבוי Bose-Einstein. זהו שלב של החומר שבו לכל החלקיקים יש אותו מצב קוונטי. 

המשוואות המתארות את הקונדנסט של Bose הן -איינשטיין, חזה את קצב החימום האיטי בדיוק כפי שקרה בניסויים. הדבר המפתיע כאן הוא שהאטומים שנחקרו על ידי מדענים לא היו מעובה כזה.

במובן מסוים, זו חידה כפולה. אנחנו לא באמת יודעים למה זה קורה, אבל יש תיאוריה שלא אמורה לעבוד, אבל נראה שהיא עובדת.

ויקטור גליצקי, מחבר המחקר

למה זה חשוב?

הרמות שנצפו מוכיחות שהאינטראקציותלא תמיד מאלצים חלקיקים לציית לחוקי התרמודינמיקה. על ידי חקירת האופן שבו חוקים משתנים ברמת המיקרו, הפיזיקאים מקווים ליצור תיאוריה חדשה המקשרת את התנהגות החומר הן בסולם המיקרו והן בסולם המאקרו.

ניסויים כאלה יכולים לא רק לפתוח חדשפיזיקה קוונטית, אלא גם להוביל לפיתוח כלי מחקר חדשים. אם ניתן יהיה לפענח את הפיזיקה מאחורי הניסויים הללו, אולי יום אחד רמות הטמפרטורה יתרחבו וישמשו לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות חדשות וטובות יותר, אומרים המדענים.

קרא עוד:

התברר מה קורה למוח האנושי אחרי שעה אחת ביער

נודע איזה תה הורס חלבון במוח

יצורי ים מוזרים במעמקי האוקיינוס ​​התבררו כדומים לבני אדם