Kvantová fyzika porušuje všetky pravidlá. Napríklad klasické zákony termodynamiky, ktoré popisujú ako
V niektorých experimentoch to vedci zistiliskúmaný objekt sa môže ochladzovať, hoci je pri niečom oveľa teplejšom. Vedci tvrdia, že je to ako vybrať horúcu panvicu z rúry, no vaša ruka sa nezohrieva, ale skôr chladne.
Aby fyzici zistili, čo sa stane s kvantovým chaosom a ako sa mu podarí zostať mimo zákonov termodynamiky, uskutočnili experiment s ultrachladnými atómami lítia a laserom.
Anomálny chaos
Ak vezmeme obyčajné kyvadlo a vytlačíme ho zčas z rôznych strán, potom absorbuje energiu nárazu a hojdá sa, náhodne sa pohybuje v priestore. Napriek zdanlivej náhodnosti pohybov sa dá ľahko opísať pomocou rovníc, ktoré zohľadňujú impulzy a smery, ktoré kyvadlo pri náraze dostalo.
V kvantovom svete nie je všetko také jednoduché.Namiesto pohybu môže neporiadok spôsobiť „zastavenie“ častíc. Kým na začiatku experimentu dokáže kvantové kyvadlo absorbovať energiu rovnako ako mechanické, po čase sa opakovanými nárazmi dostane na plató a rozloženie hybnosti zamrzne v dynamicky lokalizovanom stave.
Vysvetliť takúto anomáliu jednotlivcovičastice, vedci použili matematiku. Veria, že kvantovomechanické pravdepodobnostné vlny oscilujú a narážajú do seba presne takým spôsobom, že sa vrcholy a žľaby stretávajú a eliminujú akúkoľvek možnosť častice absorbovať energiu.
Ale čo sa stane v reálnom živote, keďinterakcia, ku ktorej dochádza medzi mnohými časticami, napríklad v systéme obsahujúcom veľa kolidujúcich elektrónov, zostala po desaťročiach kontroverzií záhadou.
Viacnásobná lokalizácia
Aby sme pochopili, čo by sa malo stať, vedciponúknite, že si predstavíte šálku, do ktorej sa naleje káva s mliekom. Ak sa studené mlieko naleje do horúcej kávy, časom sa častice zmiešajú a celý nápoj sa dostane do homogénneho stavu. Takýto proces sa nazýva termalizácia a predtým sa predpokladalo, že by sa mal pozorovať v akomkoľvek systéme.
Za posledných niekoľko desaťročí vedciuvedomili, že to tak nie je vždy. Ukázalo sa, že chaos v kvantovom systéme vedie k lokalizácii mnohých telies. To znamená, že systém nemôže dosiahnuť tepelnú rovnováhu a uchováva si pamäť svojho počiatočného stavu v miestnych oblastiach na nekonečnú dobu.
Čo urobili vedci?
Ak chcete skontrolovať, ako komplexsystém pozostávajúci z mnohých častíc, vedci použili plyn lítium. Do vertikálnej vlny svetla umiestnili asi 100 000 ultrachladných atómov. Každý takýto atóm bol kvantový rotor (kyvadlo), ktorý bolo možné spustiť pomocou laserového impulzu.
Vedci vysvetľujú, že vynútili atómyzraziť a rozletieť sa, alebo použiť Feshbachovu rezonanciu, aby ste ich udržali pohromade. Tento efekt nastáva, keď sa dva pomalé, studené atómy zrazia, dočasne sa zlepia a vytvoria nestabilnú zlúčeninu s krátkou životnosťou.
Keď častice neinteragovali, výskumnícivideli očakávaný výsledok: častice sa pred dosiahnutím konštantnej teploty trochu zahriali. Keď výskumníci upravili experiment tak, aby atómy mohli trochu interagovať, najprv videli teplotnú plošinu na rovnakej úrovni. Ale na rozdiel od jednorozmernej teórie sa atómy nakoniec opäť začali zahrievať, aj keď nie tak rýchlo, ako predpovedá konvenčná termodynamika.
Experimentálne nastavenie. Foto: Tony Masters, UCSB
Ukázalo sa, že nový štát nie jenezodpovedalo klasickej termodynamike ani očakávanému správaniu lokalizovaného súboru telies. Hypotéza, ktorú vedci skúmali, takýto výsledok nepredpokladala, no podobné správanie popisuje iná teória. Vzťahuje sa na veľmi studené skupiny častíc, ktoré tvoria Bose-Einsteinov kondenzát. Ide o fázu hmoty, v ktorej majú všetky častice rovnaký kvantový stav.
Rovnice popisujúce Boseho kondenzát sú -Einstein, predpovedajte rýchlosť pomalého zahrievania presne tak, ako sa to stalo v experimentoch. Prekvapivé je, že vedcami skúmané atómy neboli až takým kondenzátom.
V istom zmysle ide o dvojitú hádanku. Naozaj nevieme, prečo sa to deje, ale existuje teória, ktorá by nemala fungovať, ale zdá sa, že funguje.
Victor Galitsky, spoluautor štúdie
Prečo je to dôležité?
Pozorované plošiny dokazujú, že interakcienie vždy nútiť častice, aby sa riadili zákonmi termodynamiky. Skúmaním toho, ako sa zákony menia na mikroúrovni, fyzici dúfajú, že vytvoria novú teóriu, ktorá spája správanie hmoty na mikro a makro úrovni.
Takéto experimenty môžu nielen otvoriť novékvantovej fyziky, ale vedú aj k vývoju nových výskumných nástrojov. Ak sa podarí odhaliť fyziku týchto experimentov, možno jedného dňa sa teplotné plošiny rozšíria a použijú sa na vývoj nových a lepších kvantových technológií, tvrdia vedci.
Čítaj viac:
Ukázalo sa, čo sa stane s ľudským mozgom po jednej hodine v lese
Zistilo sa, ktorý čaj ničí bielkoviny v mozgu
Podivné morské tvory v hlbinách oceánu sa ukázali byť podobné ľuďom