นักฟิสิกส์สำรวจธรรมชาติของความโกลาหลของควอนตัม: เหตุใดอุณหพลศาสตร์จึงหยุดทำงาน

ฟิสิกส์ควอนตัมฉีกทุกกฎเกณฑ์ ตัวอย่างเช่นกฎคลาสสิกของอุณหพลศาสตร์ซึ่งอธิบายวิธีการ

ความร้อนและพลังงานเคลื่อนตัวและกลายเป็น “คำแนะนำ” ที่สามารถละเลยได้ในกรณีที่มีอนุภาคเล็กที่สุด

ในการทดลองบางอย่างนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าวัตถุที่กำลังศึกษาอาจจะเย็นลงแม้ว่าจะมีบางสิ่งที่ร้อนกว่ามากก็ตาม นักวิทยาศาสตร์บอกว่ามันเหมือนกับการเอากระทะร้อนออกจากเตาอบ แต่มือของคุณไม่ได้ร้อนขึ้น แต่ค่อนข้างจะเย็นลง 

เพื่อค้นหาว่าเกิดอะไรขึ้นกับความโกลาหลของควอนตัมและวิธีที่มันจัดการให้อยู่นอกกฎของอุณหพลศาสตร์ นักฟิสิกส์ได้ทำการทดลองกับอะตอมลิเธียมลิเธียมเย็นจัดและเลเซอร์

ความโกลาหลผิดปกติ

ถ้าเราเอาลูกตุ้มธรรมดาแล้วดันออกจากเวลาจากด้านต่าง ๆ แล้วมันจะดูดซับพลังงานกระแทกและแกว่งไปมาในอวกาศแบบสุ่ม แม้จะดูเหมือนการเคลื่อนไหวแบบสุ่ม แต่ก็ง่ายต่อการอธิบายด้วยความช่วยเหลือของสมการที่คำนึงถึงแรงกระตุ้นและทิศทางที่ลูกตุ้มได้รับระหว่างการกระแทก

ในโลกควอนตัม ทุกสิ่งไม่ได้ง่ายอย่างนั้นแทนที่จะเคลื่อนไหว ความวุ่นวายอาจทำให้อนุภาค “หยุด” ในขณะที่ตอนเริ่มต้นของการทดลอง ลูกตุ้มควอนตัมสามารถดูดซับพลังงานในลักษณะเดียวกับลูกตุ้มเชิงกล แต่เมื่อเวลาผ่านไป เมื่อเกิดการกระแทกซ้ำๆ ลูกตุ้มก็จะไปถึงที่ราบสูงและการกระจายโมเมนตัมจะหยุดนิ่งในสถานะที่มีการแปลแบบไดนามิก

เพื่ออธิบายความผิดปกติดังกล่าวให้แต่ละบุคคลทราบอนุภาค นักวิทยาศาสตร์ใช้คณิตศาสตร์ พวกเขาเชื่อว่าคลื่นความน่าจะเป็นเชิงกลของควอนตัมจะสั่นและชนกันอย่างแม่นยำในลักษณะที่ยอดและร่องมาบรรจบกัน และกำจัดความเป็นไปได้ที่อนุภาคดูดซับพลังงาน

แต่จะเกิดอะไรขึ้นในชีวิตจริงเมื่อปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคจำนวนมาก เช่น ในระบบที่มีอิเล็กตรอนชนกันจำนวนมาก ยังคงเป็นปริศนาหลังจากความขัดแย้งหลายทศวรรษ

การแปลหลายภาษา

เพื่อให้เข้าใจถึงสิ่งที่ควรเกิดขึ้น นักวิทยาศาสตร์เสนอให้นึกภาพถ้วยที่เทกาแฟกับนมลงไป หากใส่นมเย็นลงในกาแฟร้อน เมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคก็จะผสมกัน และเครื่องดื่มทั้งหมดจะกลายเป็นเนื้อเดียวกัน กระบวนการดังกล่าวเรียกว่าการทำให้เป็นความร้อนและก่อนหน้านี้เชื่อว่าควรสังเกตได้ในทุกระบบ

ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ตระหนักดีว่าไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป ปรากฎว่าความโกลาหลในระบบควอนตัมนำไปสู่การโลคัลไลเซชันของร่างกายจำนวนมาก ซึ่งหมายความว่าระบบไม่สามารถเข้าถึงสมดุลทางความร้อนและเก็บความทรงจำของสถานะเริ่มต้นไว้ในพื้นที่ท้องถิ่นเป็นเวลาที่ไม่สิ้นสุด

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?

เพื่อตรวจสอบวิธีการที่ซับซ้อนระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก นักวิทยาศาสตร์ใช้ก๊าซลิเธียม พวกเขาวางอะตอมที่เย็นจัดประมาณ 100,000 อะตอมในคลื่นแสงแนวตั้ง แต่ละอะตอมดังกล่าวเป็นควอนตัมโรเตอร์ (ลูกตุ้ม) ที่สามารถยิงได้โดยใช้พัลส์เลเซอร์

นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าพวกมันบังคับอะตอมชนกันและกระเด็นออกจากกัน หรือใช้เสียงสะท้อนของ Feshbach เพื่อให้พวกมันอยู่รวมกัน ผลกระทบนี้เกิดขึ้นเมื่ออะตอมเย็นที่ช้าสองอะตอมชนกัน และเกาะติดกันชั่วคราวและก่อตัวเป็นสารประกอบที่ไม่เสถียรและมีอายุการใช้งานสั้น

เมื่ออนุภาคไม่มีปฏิสัมพันธ์ นักวิจัยเห็นผลที่คาดหวัง: อนุภาคจะอุ่นขึ้นเล็กน้อยก่อนที่จะถึงอุณหภูมิคงที่ เมื่อนักวิจัยปรับการทดลองเพื่อให้อะตอมสามารถโต้ตอบกันได้เล็กน้อย ครั้งแรกที่พวกเขาเห็นอุณหภูมิที่ราบสูงที่ระดับเดียวกัน แต่ต่างจากทฤษฎีหนึ่งมิติ ในที่สุดอะตอมก็เริ่มร้อนขึ้นอีกครั้ง แม้ว่าจะไม่ได้เร็วอย่างที่อุณหพลศาสตร์ทั่วไปคาดการณ์ไว้

การตั้งค่าทดลอง รูปถ่าย: Tony Masters, UCSB

ปรากฎว่ารัฐใหม่ไม่ได้ไม่สอดคล้องกับอุณหพลศาสตร์แบบคลาสสิกหรือพฤติกรรมที่คาดหวังของกลุ่มวัตถุที่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่น สมมติฐานที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาไม่ได้ถือว่าผลลัพธ์ดังกล่าว แต่มีอีกทฤษฎีหนึ่งที่อธิบายพฤติกรรมที่คล้ายกัน ใช้กับกลุ่มอนุภาคที่เย็นจัดซึ่งก่อตัวเป็นคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ นี่คือระยะของสสารที่อนุภาคทั้งหมดมีสถานะควอนตัมเท่ากัน

สมการที่อธิบายคอนเดนเสทของโบสคือ −ไอน์สไตน์ทำนายอัตราการให้ความร้อนช้าเหมือนกับที่เกิดขึ้นในการทดลอง สิ่งที่น่าแปลกใจคืออะตอมที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาไม่ใช่คอนเดนเสทดังกล่าว

ในแง่หนึ่งนี่เป็นปริศนาคู่ เราไม่รู้จริงๆ ว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น แต่มีทฤษฎีหนึ่งที่ไม่น่าจะได้ผล แต่ดูเหมือนว่าจะได้ผล

Victor Galitsky ผู้เขียนร่วมด้านการศึกษา

ทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญ

ที่ราบสูงที่สังเกตได้พิสูจน์ว่าปฏิสัมพันธ์ไม่ได้บังคับให้อนุภาคปฏิบัติตามกฎของอุณหพลศาสตร์เสมอไป จากการตรวจสอบว่ากฎหมายเปลี่ยนแปลงในระดับจุลภาคอย่างไร นักฟิสิกส์หวังว่าจะสร้างทฤษฎีใหม่ที่เชื่อมโยงพฤติกรรมของสสารทั้งในระดับจุลภาคและระดับมหภาค

การทดลองดังกล่าวไม่เพียงแต่สามารถเปิดใหม่ได้ฟิสิกส์ควอนตัม แต่ยังนำไปสู่การพัฒนาเครื่องมือวิจัยใหม่ๆ หากฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังการทดลองเหล่านี้สามารถคลี่คลายได้ บางทีวันหนึ่งอุณหภูมิที่ราบสูงจะขยายตัวและถูกนำมาใช้เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมใหม่และดีขึ้น นักวิทยาศาสตร์กล่าว

อ่านเพิ่มเติม:

ปรากฎว่าเกิดอะไรขึ้นกับสมองของมนุษย์หลังจากอยู่ในป่าหนึ่งชั่วโมง

เป็นที่ทราบกันดีว่าชาชนิดใดทำลายโปรตีนในสมอง

สัตว์ทะเลประหลาดที่อยู่ลึกลงไปในมหาสมุทรกลายเป็นเหมือนมนุษย์