Fizica cuantică încalcă toate regulile. De exemplu, legile clasice ale termodinamicii, care descriu cum
În unele experimente, oamenii de știință au descoperit căobiectul studiat s-ar putea să se răcească, deși este cu ceva mult mai fierbinte. Oamenii de știință spun că este ca și cum ai scoate o tigaie fierbinte din cuptor, dar mâna ta nu se încălzește, ci mai degrabă se răcește.
Pentru a afla ce se întâmplă cu haosul cuantic și cum reușește să rămână în afara legilor termodinamicii, fizicienii au efectuat un experiment cu atomi de litiu ultrareci și un laser.
Haos anormal
Dacă luăm un pendul obișnuit și îl împingem dintimp din diferite părți, atunci va absorbi energia de impact și se va balansa, mișcându-se aleatoriu în spațiu. În ciuda aparentului aleatoriu al mișcărilor, este ușor de descris cu ajutorul ecuațiilor care țin cont de impulsurile și direcțiile pe care le-a primit pendulul în timpul impactului.
În lumea cuantică, totul nu este atât de simplu.În loc să se miște, tulburarea poate face ca particulele să se „oprească”. În timp ce la începutul experimentului un pendul cuantic poate absorbi energie în același mod ca unul mecanic, în timp, cu impacturi repetate, va atinge un platou și distribuția impulsului va îngheța într-o stare localizată dinamic.
Pentru a explica o astfel de anomalie pentru individparticule, oamenii de știință au folosit matematica. Ei cred că undele de probabilitate mecanică cuantică oscilează și se ciocnesc unele cu altele exact în așa fel încât crestele și jgheaburile se întâlnesc și elimină orice posibilitate ca particulele să absoarbă energie.
Dar ce se întâmplă în viața reală cândinteracțiunea care are loc între multe particule, de exemplu, într-un sistem care conține mulți electroni care se ciocnesc, a rămas un mister după decenii de controverse.
Localizare multiplă
Pentru a înțelege ce ar trebui să se întâmple, oameni de științăoferă să-ți imaginezi o ceașcă în care se toarnă cafea cu lapte. Dacă laptele rece este turnat în cafea fierbinte, atunci, în timp, particulele sunt amestecate și întreaga băutură ajunge la o stare omogenă. Un astfel de proces se numește termalizare și anterior se credea că ar trebui să fie observat în orice sistem.
În ultimele decenii, oamenii de științăa realizat că nu este întotdeauna cazul. S-a dovedit că haosul într-un sistem cuantic duce la localizarea multor corpuri. Aceasta înseamnă că sistemul nu poate atinge echilibrul termic și păstrează memoria stării sale inițiale în zonele locale pentru un timp infinit.
Ce au făcut oamenii de știință?
Pentru a verifica modul în care complexulun sistem format din multe particule, oamenii de știință au folosit litiu gazos. Au plasat aproximativ 100.000 de atomi ultrareci într-un val vertical de lumină. Fiecare astfel de atom era un rotor cuantic (pendul) care putea fi lansat folosind un impuls laser.
Oamenii de știință explică că au forțat atomiise ciocnesc și zboară separat sau folosește rezonanța Feshbach pentru a le menține împreună. Acest efect apare atunci când doi atomi lenți și reci se ciocnesc, lipindu-se temporar împreună și formând un compus instabil cu o durată de viață scurtă.
Când particulele nu au interacționat, cercetătoriiam văzut rezultatul așteptat: particulele s-au încălzit puțin înainte de a ajunge la o temperatură constantă. Când cercetătorii au ajustat experimentul astfel încât atomii să poată interacționa puțin, au văzut mai întâi un platou de temperatură la același nivel. Dar, spre deosebire de teoria unidimensională, atomii au început în cele din urmă să se încălzească din nou, deși nu la fel de repede cum prezice termodinamica convențională.
Setare experimentala. Foto: Tony Masters, UCSB
S-a dovedit că noul stat nu estenu corespundea nici termodinamicii clasice, nici comportamentului aşteptat al unui set localizat de corpuri. Ipoteza că oamenii de știință au studiat nu a presupus un astfel de rezultat, dar o altă teorie descrie un comportament similar. Se aplică grupurilor foarte reci de particule care formează un condensat Bose-Einstein. Aceasta este o fază a materiei în care toate particulele au aceeași stare cuantică.
Ecuațiile care descriu condensatul Bose sunt −Einstein, prezice rata de încălzire lentă exact așa cum sa întâmplat în experimente. Lucrul surprinzător aici este că atomii studiați de oamenii de știință nu erau un astfel de condensat.
Într-un fel, aceasta este o dublă ghicitoare. Nu prea știm de ce se întâmplă asta, dar există o teorie care nu ar trebui să funcționeze, dar pare să funcționeze.
Victor Galitsky, coautor al studiului
De ce este important acest lucru?
Platourile observate dovedesc că interacţiunilenu forțați întotdeauna particulele să respecte legile termodinamicii. Prin investigarea modului în care legile se schimbă la nivel micro, fizicienii speră să formeze o nouă teorie care leagă comportamentul materiei atât la scară micro, cât și la scară macro.
Astfel de experimente nu pot deschide doar un noufizica cuantică, dar conduc și la dezvoltarea de noi instrumente de cercetare. Dacă fizica din spatele acestor experimente poate fi dezvăluită, poate că într-o zi platourile de temperatură se vor extinde și vor fi folosite pentru a dezvolta tehnologii cuantice noi și mai bune, spun oamenii de știință.
Citeste mai mult:
S-a dovedit ce se întâmplă cu creierul uman după o oră în pădure
A devenit cunoscut care ceai distruge proteinele din creier
Creaturile marine ciudate din adâncurile oceanului s-au dovedit a fi asemănătoare cu oamenii