A física quântica quebra todas as regras. Por exemplo, as leis clássicas da termodinâmica, que descrevem como
Em alguns experimentos, os cientistas descobriram queo objeto em estudo pode estar esfriando, embora esteja com algo muito mais quente. Os cientistas dizem que é como tirar uma frigideira quente do forno, mas sua mão não esquenta, mas esfria.
Para descobrir o que acontece com o caos quântico e como ele consegue ficar fora das leis da termodinâmica, os físicos realizaram um experimento com átomos de lítio ultrafrios e um laser.
Caos Anômalo
Se pegarmos um pêndulo comum e empurrá-lo detempo de lados diferentes, então ele absorverá a energia do impacto e balançará, movendo-se aleatoriamente no espaço. Apesar da aparente aleatoriedade dos movimentos, é fácil descrever com a ajuda de equações que levam em conta os impulsos e direções que o pêndulo recebeu durante o impacto.
No mundo quântico, nem tudo é tão simples.Em vez de se moverem, a desordem pode fazer com que as partículas “parem”. Embora no início do experimento um pêndulo quântico possa absorver energia da mesma forma que um pêndulo mecânico, com o tempo, com impactos repetidos, ele atingirá um platô e a distribuição de momento congelará em um estado dinamicamente localizado.
Para explicar tal anomalia para indivíduospartículas, os cientistas usaram a matemática. Eles acreditam que as ondas de probabilidade da mecânica quântica oscilam e colidem umas com as outras precisamente de tal maneira que as cristas e as depressões se encontram e eliminam qualquer possibilidade de a partícula absorver energia.
Mas o que acontece na vida real quandoa interação que ocorre entre muitas partículas, por exemplo, em um sistema contendo muitos elétrons em colisão, permaneceu um mistério após décadas de controvérsia.
Localização múltipla
Para entender o que deveria estar acontecendo, os cientistasse ofereça para imaginar uma xícara na qual é servido café com leite. Se o leite frio for derramado no café quente, com o tempo as partículas serão misturadas e toda a bebida chegará a um estado homogêneo. Tal processo é chamado de termalização, e acreditava-se anteriormente que deveria ser observado em qualquer sistema.
Nas últimas décadas, cientistaspercebeu que nem sempre é assim. Descobriu-se que o caos em um sistema quântico leva à localização de muitos corpos. Isso significa que o sistema não pode atingir o equilíbrio térmico e retém a memória de seu estado inicial em áreas locais por um tempo infinito.
O que os cientistas fizeram?
Para verificar como o complexoum sistema que consiste em muitas partículas, os cientistas usaram o gás lítio. Eles colocaram cerca de 100.000 átomos ultrafrios em uma onda vertical de luz. Cada um desses átomos era um rotor quântico (pêndulo) que poderia ser lançado usando um pulso de laser.
Os cientistas explicam que forçaram os átomoscolidem e se separam ou usam a ressonância de Feshbach para mantê-los juntos. Este efeito ocorre quando dois átomos lentos e frios colidem, unindo-se temporariamente e formando um composto instável com vida útil curta.
Quando as partículas não interagiram, os pesquisadoresviu o resultado esperado: as partículas aqueceram um pouco antes de atingirem uma temperatura constante. Quando os pesquisadores ajustaram o experimento para que os átomos pudessem interagir um pouco, eles viram pela primeira vez um platô de temperatura no mesmo nível. Mas, ao contrário da teoria unidimensional, os átomos eventualmente começaram a se aquecer novamente, embora não tão rapidamente quanto a termodinâmica convencional prevê.
Configuração experimental. Foto: Tony Masters, UCSB
Descobriu-se que o novo estado não énão correspondia nem à termodinâmica clássica nem ao comportamento esperado de um conjunto localizado de corpos. A hipótese que os cientistas estudaram não presumia tal resultado, mas outra teoria descreve um comportamento semelhante. Aplica-se a grupos de partículas muito frias que formam um condensado de Bose-Einstein. Esta é uma fase da matéria em que todas as partículas têm o mesmo estado quântico.
As equações que descrevem o condensado de Bose são -Einstein, preveja a taxa de aquecimento lento exatamente como aconteceu nos experimentos. O surpreendente aqui é que os átomos estudados pelos cientistas não eram tão condensados.
Em certo sentido, este é um enigma duplo. Nós realmente não sabemos por que isso acontece, mas há uma teoria que não deveria funcionar, mas parece funcionar.
Victor Galitsky, coautor do estudo
Por que isso é importante?
Os platôs observados provam que as interaçõesnem sempre forçam as partículas a obedecer às leis da termodinâmica. Ao investigar como as leis mudam no nível micro, os físicos esperam formar uma nova teoria que vincule o comportamento da matéria nas escalas micro e macro.
Tais experimentos podem não apenas abrir um novofísica quântica, mas também levar ao desenvolvimento de novas ferramentas de pesquisa. Se a física por trás desses experimentos puder ser desvendada, talvez um dia os platôs de temperatura se expandam e sejam usados para desenvolver novas e melhores tecnologias quânticas, dizem os cientistas.
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