量子物理学はすべてのルールを破ります。たとえば、熱力学の古典的な法則は、次のように説明されています。
いくつかの実験で、科学者たちは次のことを発見しました。研究対象の物体は、はるかに熱いものと一緒にあるにもかかわらず、冷却されている可能性があります。科学者たちは、これは熱いフライパンをオーブンから取り出すようなものだと言いますが、手は熱くならず、むしろ冷たくなってしまいます。
量子カオスに何が起こり、熱力学の法則の外にとどまることができるかを調べるために、物理学者は極低温のリチウム原子とレーザーを使った実験を行いました。
異常な混沌
普通の振り子を上から押すとさまざまな側面から時間をかけると、衝撃エネルギーを吸収して揺れ、空間をランダムに移動します。動きはランダムに見えますが、衝撃の間に振り子が受けた衝撃と方向を考慮した方程式の助けを借りて簡単に説明できます。
量子の世界では、すべてがそれほど単純ではありません。無秩序により粒子は移動する代わりに「停止」することがあります。実験の開始時には、量子振り子は機械的な振り子と同じ方法でエネルギーを吸収できますが、時間の経過とともに衝撃が繰り返されると、プラトーに達し、運動量分布は動的に局在化した状態で凍結します。
このような異常を個別に説明するには粒子、科学者は数学を使用しました。彼らは、量子力学的確率波がまさに山と谷が出会うような方法で振動し、互いに衝突し、粒子がエネルギーを吸収する可能性を排除すると信じています。
しかし、実生活で何が起こるかたとえば、多くの衝突電子を含む系で多くの粒子間で発生する相互作用は、何十年にもわたる論争の後も謎のままでした。
複数のローカリゼーション
科学者たちは何が起きているのかを理解するためにミルク入りコーヒーが注がれるカップを想像してみてください。熱いコーヒーに冷たい牛乳を注ぐと、時間の経過とともに粒子が混ざり合い、飲み物全体が均一な状態になります。このようなプロセスは熱化と呼ばれ、以前はどのシステムでも観察されるべきであると考えられていました。
過去数十年間、科学者たちは必ずしもそうとは限らないことに気づきました。量子系のカオスは、多くの物体の局在化につながることが判明しました。これは、システムが熱平衡に達することができず、初期状態の記憶を局所領域に無限に保持することを意味します。
科学者たちは何をしましたか？
コンプレックスの確認方法多くの粒子からなるシステム、科学者はリチウムガスを使用しました。彼らは約100,000個の超低温原子を光の垂直波に配置しました。そのような各原子は、レーザーパルスを使用して発射できる量子ローター（振り子）でした。
科学者は原子を強制的に注入したと説明する衝突して飛び散ったり、フェッシュバッハ共鳴を使用してそれらを結合させたりします。この効果は、2 つの低速で冷たい原子が衝突し、それらが一時的にくっつき、寿命の短い不安定な化合物を形成するときに発生します。
粒子が相互作用しなかったとき、研究者は予想通りの結果が得られました: 粒子は、一定の温度に達する前に少し暖まりました。研究者が原子が少し相互作用できるように実験を調整したとき、彼らは最初に同じレベルで温度プラトーを見ました。しかし、一次元理論とは異なり、従来の熱力学が予測するほど速くはありませんが、最終的に原子は再び熱くなり始めました。
実験セットアップ。写真: トニー・マスターズ、UCSB
新しい状態ではないことが判明しました古典的な熱力学にも、局所的な物体のセットの予想される挙動にも対応しませんでした。科学者たちが研究した仮説はそのような結果を想定していませんでしたが、別の理論が同様の行動を説明しています。これは、ボース アインシュタイン凝縮を形成する非常に冷たい粒子のグループに適用されます。これは、すべての粒子が同じ量子状態を持つ物質の相です。
ボーズ凝縮体を記述する方程式は次のとおりです-アインシュタインは、実験で起こったのとまったく同じように、ゆっくりとした加熱の速度を予測しました.ここで驚くべきことは、科学者が研究した原子はそのような凝縮体ではなかったということです。
ある意味、これは二重のなぞなぞです。なぜこれが起こるのかはよくわかりませんが、うまくいかないはずの理論がありますが、うまくいくようです.
ビクター・ガリツキー、研究共著者
これはなぜ重要なのでしょうか。
観測されたプラトーは、相互作用が常に粒子が熱力学の法則に従うように強制するわけではありません。物理学者は、ミクロ レベルで法則がどのように変化するかを調べることで、ミクロ スケールとマクロ スケールの両方で物質の挙動を関連付ける新しい理論を形成したいと考えています。
このような実験は、新しい可能性を開くだけではありません。量子物理学だけでなく、新しい研究ツールの開発にもつながります。これらの実験の背後にある物理学を解明できれば、おそらくいつの日か温度プラトーが拡大し、新しくより優れた量子技術の開発に使用されるだろう、と科学者たちは言う.
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