Kvantefysikk bryter alle reglene. For eksempel termodynamikkens klassiske lover, som beskriver hvordan
I noen eksperimenter har forskere funnet detobjektet som studeres kan kjøles ned, selv om det er med noe mye varmere. Forskere sier det er som å ta en varm stekepanne ut av ovnen, men hånden din varmes ikke opp, men avkjøles heller.
For å finne ut hva som skjer med kvantekaos og hvordan det klarer å holde seg utenfor termodynamikkens lover, utførte fysikere et eksperiment med ultrakalde litiumatomer og en laser.
Unormalt kaos
Hvis vi tar en vanlig pendel og skyver den fratid fra forskjellige sider, så vil den absorbere støtenergien og svaie, bevege seg tilfeldig i rommet. Til tross for den tilsynelatende tilfeldigheten av bevegelser, er det lett å beskrive ved hjelp av ligninger som tar hensyn til impulsene og retningene som pendelen mottok under sammenstøtet.
I kvanteverdenen er ikke alt så enkelt.I stedet for å bevege seg, kan uorden få partikler til å "stoppe". Mens en kvantependel i begynnelsen av eksperimentet kan absorbere energi på samme måte som en mekanisk, vil den over tid, med gjentatte støt, nå et platå og momentumfordelingen vil fryse i en dynamisk lokalisert tilstand.
For å forklare en slik anomali for den enkeltepartikler, brukte forskere matematikk. De mener at kvantemekaniske sannsynlighetsbølger oscillerer og kolliderer med hverandre på nettopp en slik måte at topper og bunner møtes og eliminerer enhver mulighet for at partikkelen absorberer energi.
Men hva skjer i det virkelige liv nårinteraksjonen som skjer mellom mange partikler, for eksempel i et system som inneholder mange kolliderende elektroner, forble et mysterium etter flere tiår med kontrovers.
Multippel lokalisering
For å forstå hva som bør skje, forskeretilby å forestille seg en kopp som kaffe med melk helles i. Hvis kald melk helles i varm kaffe, blandes partiklene over tid, og hele drikken kommer til en homogen tilstand. En slik prosess kalles termalisering, og det ble tidligere antatt at den burde observeres i ethvert system.
I løpet av de siste tiårene har forskereinnså at dette ikke alltid er tilfelle. Det viste seg at kaos i et kvantesystem fører til lokalisering av mange kropper. Dette betyr at systemet ikke kan nå termisk likevekt og beholder minnet om sin opprinnelige tilstand i lokale områder i uendelig tid.
Hva har forskerne gjort?
For å sjekke hvordan kompleksetet system som består av mange partikler, brukte forskere litiumgass. De plasserte rundt 100 000 ultrakalde atomer i en vertikal bølge av lys. Hvert slikt atom var en kvanterotor (pendel) som kunne skytes opp ved hjelp av en laserpuls.
Forskere forklarer at de tvunget frem atomerkollidere og fly fra hverandre, eller bruk Feshbach-resonans for å holde dem sammen. Denne effekten oppstår når to langsomme, kalde atomer kolliderer, midlertidig fester seg sammen og danner en ustabil forbindelse med kort levetid.
Når partiklene ikke samhandlet, forskerneså det forventede resultatet: partiklene varmet opp litt før de nådde en konstant temperatur. Da forskerne justerte forsøket slik at atomene kunne samhandle litt, så de først et temperaturplatå på samme nivå. Men i motsetning til den endimensjonale teorien, begynte atomene etter hvert å varmes opp igjen, men ikke så raskt som konvensjonell termodynamikk forutsier.
Eksperimentelt oppsett. Foto: Tony Masters, UCSB
Det viste seg at den nye staten ikke er dettilsvarte verken klassisk termodynamikk eller forventet oppførsel til et lokalisert sett med kropper. Hypotesen som forskerne studerte, antok ikke et slikt resultat, men en annen teori beskriver lignende oppførsel. Det gjelder veldig kalde grupper av partikler som danner et Bose-Einstein-kondensat. Dette er en fase av materie der alle partikler har samme kvantetilstand.
Ligningene som beskriver Bose-kondensatet er −Einstein, forutsi hastigheten på langsom oppvarming nøyaktig slik det skjedde i eksperimentene. Det overraskende her er at atomene studert av forskere ikke var et slikt kondensat.
På en måte er dette en dobbel gåte. Vi vet egentlig ikke hvorfor dette skjer, men det er en teori som ikke burde fungere, men det ser ut til å fungere.
Victor Galitsky, studiemedforfatter
Hvorfor er dette viktig?
De observerte platåene beviser at interaksjoneneikke alltid tvinge partikler til å adlyde termodynamikkens lover. Ved å undersøke hvordan lover endrer seg på mikronivå, håper fysikere å danne en ny teori som kobler oppførselen til materie på både mikro- og makroskalaen.
Slike eksperimenter kan ikke bare åpne en nykvantefysikk, men også føre til utvikling av nye forskningsverktøy. Hvis fysikken bak disse eksperimentene kan avdekkes, vil kanskje temperaturplatåene en dag utvide seg og bli brukt til å utvikle nye og bedre kvanteteknologier, sier forskerne.
Les mer:
Det viste seg hva som skjer med menneskehjernen etter en time i skogen
Det ble kjent hvilken te som ødelegger protein i hjernen
Rare sjødyr i dypet av havet viste seg å ligne på mennesker