Kvantfysiken bryter mot alla regler. Till exempel termodynamikens klassiska lagar, som beskriver hur
I vissa experiment har forskare funnit detobjektet som studeras kan svalna, även om det är med något mycket hetare. Forskare säger att det är som att ta ut en het stekpanna ur ugnen, men din hand värms inte upp utan svalnar snarare.
För att ta reda på vad som händer med kvantkaoset och hur det lyckas hålla sig utanför termodynamikens lagar, genomförde fysiker ett experiment med ultrakalla litiumatomer och en laser.
Onormalt kaos
Om vi tar en vanlig pendel och trycker från dentid från olika sidor, då kommer den att absorbera stötenergin och svaja och röra sig slumpmässigt i rymden. Trots till synes slumpmässiga rörelser är det lätt att beskriva med hjälp av ekvationer som tar hänsyn till de impulser och riktningar som pendeln fick vid nedslaget.
I kvantvärlden är allt inte så enkelt.Istället för att röra sig kan oordning göra att partiklar "stoppar". Medan en kvantpendel i början av experimentet kan absorbera energi på samma sätt som en mekanisk, kommer den med tiden, med upprepade stötar, att nå en platå och momentumfördelningen kommer att frysa i ett dynamiskt lokaliserat tillstånd.
För att förklara en sådan anomali för individenpartiklar använde forskare matematik. De tror att kvantmekaniska sannolikhetsvågor svänger och kolliderar med varandra på exakt ett sådant sätt att toppar och dalar möts och eliminerar varje möjlighet att partikeln absorberar energi.
Men vad händer i verkligheten närinteraktionen som sker mellan många partiklar, till exempel i ett system som innehåller många kolliderande elektroner, förblev ett mysterium efter årtionden av kontroverser.
Multipel lokalisering
För att förstå vad som borde hända, forskareErbjud dig att föreställa dig en kopp som kaffe med mjölk hälls i. Om kall mjölk hälls i varmt kaffe, blandas partiklarna med tiden och hela drycken kommer till ett homogent tillstånd. En sådan process kallas termalisering, och man trodde tidigare att den borde observeras i vilket system som helst.
Under de senaste decennierna har forskareinsåg att så inte alltid är fallet. Det visade sig att kaos i ett kvantsystem leder till lokalisering av många kroppar. Detta innebär att systemet inte kan nå termisk jämvikt och behåller minnet av sitt initiala tillstånd i lokala områden under oändlig tid.
Vad har forskarna gjort?
För att kontrollera hur komplexetett system som består av många partiklar, forskare använde litiumgas. De placerade cirka 100 000 ultrakalla atomer i en vertikal våg av ljus. Varje sådan atom var en kvantrotor (pendel) som kunde skjutas upp med hjälp av en laserpuls.
Forskare förklarar att de tvingade fram atomerkollidera och flyga isär, eller använd Feshbach-resonans för att hålla ihop dem. Denna effekt uppstår när två långsamma, kalla atomer kolliderar, vilket gör att de tillfälligt klibbar ihop och bildar en instabil förening med kort livslängd.
När partiklarna inte interagerade, forskarnasåg det förväntade resultatet: partiklarna värmdes upp lite innan de nådde en konstant temperatur. När forskarna justerade experimentet så att atomerna kunde interagera lite såg de först en temperaturplatå på samma nivå. Men till skillnad från den endimensionella teorin började atomerna så småningom värmas upp igen, om än inte så snabbt som konventionell termodynamik förutspår.
Experimentuppställning. Foto: Tony Masters, UCSB
Det visade sig att den nya staten inte är detmotsvarade varken klassisk termodynamik eller det förväntade beteendet hos en lokaliserad uppsättning kroppar. Hypotesen som forskarna studerade antog inte ett sådant resultat, men en annan teori beskriver liknande beteende. Det gäller mycket kalla grupper av partiklar som bildar ett Bose-Einstein-kondensat. Detta är en fas av materia där alla partiklar har samma kvanttillstånd.
Ekvationerna som beskriver Bose-kondensatet är −Einstein, förutsäg hastigheten för långsam uppvärmning precis som det hände i experimenten. Det överraskande här är att atomerna som studerats av forskare inte var ett sådant kondensat.
På sätt och vis är detta en dubbel gåta. Vi vet inte riktigt varför detta händer, men det finns en teori som inte borde fungera, men den verkar fungera.
Victor Galitsky, studiemedförfattare
Varför är detta viktigt?
De observerade platåerna bevisar att interaktionernatvinga inte alltid partiklar att lyda termodynamikens lagar. Genom att undersöka hur lagar förändras på mikronivå, hoppas fysiker att bilda en ny teori som kopplar samman materiens beteende på både mikro- och makroskala.
Sådana experiment kan inte bara öppna en nykvantfysik, men också leda till utveckling av nya forskningsverktyg. Om fysiken bakom dessa experiment kan redas ut kanske temperaturplatåerna en dag kommer att expandera och användas för att utveckla nya och bättre kvantteknologier, säger forskarna.
Läs mer:
Det visade sig vad som händer med den mänskliga hjärnan efter en timme i skogen
Det blev känt vilket te som förstör protein i hjärnan
Konstiga havsdjur i havets djup visade sig likna människor