De kwantumfysica overtreedt alle regels. Bijvoorbeeld de klassieke wetten van de thermodynamica, die beschrijven hoe
In sommige experimenten hebben wetenschappers dat ontdekthet onderzochte object kan aan het afkoelen zijn, ook al is het met iets veel heter. Wetenschappers zeggen dat het is alsof je een hete koekenpan uit de oven haalt, maar je hand wordt niet heet, maar koelt eerder af.
Om erachter te komen wat er gebeurt met kwantumchaos en hoe het erin slaagt om buiten de wetten van de thermodynamica te blijven, voerden natuurkundigen een experiment uit met ultrakoude lithiumatomen en een laser.
Abnormale chaos
Als we een gewone slinger nemen en er vanaf duwentijd van verschillende kanten, dan zal het de impactenergie absorberen en zwaaien, willekeurig in de ruimte bewegen. Ondanks de schijnbare willekeur van bewegingen, is het gemakkelijk te beschrijven met behulp van vergelijkingen die rekening houden met de impulsen en richtingen die de slinger ontving tijdens de impact.
In de kwantumwereld is alles niet zo eenvoudig.In plaats van te bewegen, kan wanorde ervoor zorgen dat deeltjes ‘stoppen’. Terwijl aan het begin van het experiment een kwantumslinger energie kan absorberen op dezelfde manier als een mechanische slinger, zal hij na verloop van tijd, met herhaalde schokken, een plateau bereiken en zal de momentumverdeling bevriezen in een dynamisch gelokaliseerde toestand.
Om zo'n anomalie voor een individu uit te leggendeeltjes gebruikten wetenschappers wiskunde. Ze geloven dat kwantummechanische waarschijnlijkheidsgolven precies zo oscilleren en met elkaar botsen dat toppen en dalen elkaar ontmoeten en elke mogelijkheid elimineren dat het deeltje energie absorbeert.
Maar wat gebeurt er in het echte leven wanneerde interactie die optreedt tussen veel deeltjes, bijvoorbeeld in een systeem met veel botsende elektronen, bleef na decennia van controverse een mysterie.
Meerdere lokalisatie
Om te begrijpen wat er zou moeten gebeuren, wetenschappersbied aan om je een kopje voor te stellen waarin koffie met melk wordt gegoten. Als koude melk in hete koffie wordt gegoten, worden de deeltjes na verloop van tijd gemengd en komt de hele drank in een homogene toestand. Een dergelijk proces wordt thermalisatie genoemd en eerder werd aangenomen dat het in elk systeem zou moeten worden waargenomen.
In de afgelopen decennia, wetenschappersbesefte dat dit niet altijd het geval is. Het bleek dat chaos in een kwantumsysteem leidt tot de lokalisatie van veel lichamen. Dit betekent dat het systeem geen thermisch evenwicht kan bereiken en de herinnering aan zijn begintoestand in lokale gebieden voor een oneindige tijd vasthoudt.
Wat hebben de wetenschappers gedaan?
Om te controleren hoe het complexeen systeem dat uit veel deeltjes bestaat, gebruikten wetenschappers lithiumgas. Ze plaatsten ongeveer 100.000 ultrakoude atomen in een verticale golf van licht. Elk zo'n atoom was een kwantumrotor (slinger) die kon worden gelanceerd met behulp van een laserpuls.
Wetenschappers leggen uit dat ze atomen hebben geforceerdbotsen en uit elkaar vliegen, of gebruik Feshbach-resonantie om ze bij elkaar te houden. Dit effect treedt op wanneer twee langzame, koude atomen botsen, tijdelijk aan elkaar plakken en een onstabiele verbinding vormen met een korte levensduur.
Toen de deeltjes geen interactie hadden, kwamen de onderzoekerszag het verwachte resultaat: de deeltjes warmden iets op voordat ze een constante temperatuur bereikten. Toen de onderzoekers het experiment zo aanpasten dat de atomen een beetje konden interageren, zagen ze eerst een temperatuurplateau op dezelfde hoogte. Maar in tegenstelling tot de eendimensionale theorie begonnen de atomen uiteindelijk weer op te warmen, hoewel niet zo snel als de conventionele thermodynamica voorspelt.
Experimentele opstelling. Foto: Tony Masters, UCSB
Het bleek dat de nieuwe staat dat niet iskwam noch overeen met de klassieke thermodynamica, noch met het verwachte gedrag van een gelokaliseerde reeks lichamen. De hypothese die de bestudeerde wetenschappers hebben aangenomen, ging niet uit van een dergelijk resultaat, maar een andere theorie beschrijft soortgelijk gedrag. Het is van toepassing op zeer koude groepen deeltjes die een Bose-Einstein-condensaat vormen. Dit is een fase van de materie waarin alle deeltjes dezelfde kwantumtoestand hebben.
De vergelijkingen die het Bose-condensaat beschrijven zijn −Einstein, voorspel de snelheid van langzaam opwarmen precies zoals het gebeurde in de experimenten. Het verrassende hier is dat de door wetenschappers bestudeerde atomen niet zo'n condensaat waren.
In zekere zin is dit een dubbel raadsel. We weten niet echt waarom dit gebeurt, maar er is een theorie die niet zou moeten werken, maar het lijkt te werken.
Victor Galitsky, co-auteur van de studie
Waarom is dit belangrijk?
De waargenomen plateaus bewijzen dat de interactiesdwing deeltjes niet altijd om de wetten van de thermodynamica te gehoorzamen. Door te onderzoeken hoe wetten op microniveau veranderen, hopen natuurkundigen een nieuwe theorie te vormen die het gedrag van materie op zowel micro- als macroschaal met elkaar verbindt.
Dergelijke experimenten kunnen niet alleen een nieuwe openenkwantumfysica, maar ook leiden tot de ontwikkeling van nieuwe onderzoeksinstrumenten. Als de fysica achter deze experimenten kan worden ontrafeld, zullen de temperatuurplateaus misschien op een dag groter worden en worden gebruikt om nieuwe en betere kwantumtechnologieën te ontwikkelen, zeggen de wetenschappers.
Lees verder:
Het bleek wat er met het menselijk brein gebeurt na een uur in het bos
Het werd bekend welke thee eiwitten in de hersenen vernietigt
Vreemde zeedieren in de diepten van de oceaan bleken op mensen te lijken