Фізики досліджували природу квантового хаосу: чому термодинаміка перестала працювати

Квантова фізика порушує всі правила. Наприклад, класичні закони термодинаміки, що описують, як

переміщуються тепло та енергія, перетворюються на «рекомендації», якими можна знехтувати, у разі найдрібніших частинок.

У деяких експериментах вчені виявили, щодосліджуваний об'єкт може остигати, хоча він перебуває з чимось набагато гарячішим. Вчені кажуть, що це схоже на те, ніби ви дістали гарячу сковорідку з духовки, а рука при цьому не нагрівалася, а, навпаки, остигала.

Щоб дізнатися, що відбувається з квантовим хаосом і як йому вдається залишатися поза законами термодинаміки, фізики провели експеримент із ультрахолодними атомами літію та лазером.

Аномальний хаос

Якщо взяти звичайний маятник і штовхати його час відчасу з різних боків, то він поглинатиме енергію удару і розгойдуватиметься, хаотично переміщаючись у просторі. Незважаючи на випадковість рухів, її легко описати за допомогою рівнянь, що враховують імпульси і напрямки, які маятник отримав у процесі впливу.

У квантовому світі все не так однозначно.Замість руху безлад може призвести частинки до «зупинки». У той час як на початку експерименту квантовий маятник може поглинати енергію так само, як і механічний, з часом, при впливах, що повторюються, він вийде на плато і розподіл імпульсу замре в динамічно локалізованому стані.

Щоб пояснити таку аномалію для окремихчастинок, вчені використали математику. Вони вважають, що квантово-механічні хвилі ймовірності коливаються і стикаються один з одним саме таким чином, що гребені та западини зустрічаються і виключають будь-яку можливість поглинання енергії часткою.

Але те, що відбувається в реальних умовах, коливзаємодія відбувається між багатьма частинками, наприклад, у системі, що містить безліч електронів, що стикаються, після десятиліть суперечок залишалося загадкою.

Множинна локалізація

Щоб зрозуміти, що має відбуватися, вченіпропонують подати чашку, в яку наливають каву з молоком. Якщо холодне молоко наливають у гарячу каву, то згодом частки перемішуються, і весь напій приходить до однорідного стану. Такий процес називається термалізацією, і раніше вважалося, що він має спостерігатися у будь-якій системі.

За останні кілька десятиліть тому вченізрозуміли, що це завжди так. Виявилося, що в квантовій системі хаос призводить до локалізації множини тіл. Це означає, що система не може досягти теплової рівноваги та зберігає пам'ять про свій початковий стан у локальних областях протягом нескінченного часу.

Що зробили вчені?

Щоб перевірити, як поведеться складнасистема, що складається з багатьох частинок, вчені використовували газ літію. Вони помістили близько 100 тис. ультрахолодних атомів у вертикальну хвилю світла. Кожен такий атом був квантовий ротор (маятник), який можна було запустити за допомогою лазерного імпульсу.

Вчені пояснюють, що вони змушували атомистикатися і розлітатися в різні боки або використали резонанс Фешбаха, щоб тримати їх разом. Цей ефект виникає при зіткненні двох холодних повільних атомів, коли вони тимчасово злипаються і утворюють нестабільне з'єднання з невеликим терміном життя.

Коли частки не взаємодіяли, дослідникипобачили очікуваний результат: частки трохи нагрівалися, перш ніж досягали постійної температури. Коли дослідники скоригували експеримент те щоб атоми могли трохи взаємодіяти, спочатку побачили температурне плато тому ж рівні. Але на відміну від одномірної теорії атоми знову почали нагріватися, хоча і не так швидко, як передбачає звичайна термодинаміка.

Експериментальне встановлення. Фото: Tony Mastres, UCSB

Вийшло, що новий стан невідповідало ні класичній термодинаміці, ні очікуваній поведінці локалізованої множини тіл. Гіпотеза, яку досліджували вчені, не передбачала такого результату, натомість таку поведінку описує інша теорія. Вона може бути застосована до дуже холодних груп частинок, які утворюють конденсат Бозе - Ейнштейна. Це фаза речовини, в якій всі частинки мають один і той же квантовий стан.

Рівняння, що описують конденсат БозеЕйнштейна передбачають швидкість повільного нагрівання саме так, як відбувалося в проведених експериментах. Дивно тут те, що атоми, вивчені вченими, були таким конденсатом.

У певному сенсі це подвійна загадка. Насправді ми не знаємо, чому так відбувається, але є теорія, яка не повинна працювати, але начебто працює.

Віктор Галицький, співавтор дослідження

Чому це важливо?

Спостерігаються плато доводять, що взаємодіїне завжди змушують частки підкорятися законам термодинаміки. Досліджуючи, як змінюються закони на мікрорівні, фізики сподіваються сформувати нову теорію, яка зв'яже між собою поведінку матерії як у мікро-, так і макромасштабі.

Такі експерименти можуть не лише відкрити нову.квантової фізики, але також призвести до розробки нових інструментів досліджень. Якщо фізику, що лежить в основі цих експериментів, вдасться «розплутати», можливо, якось температурні плато будуть розширені і їх можна буде використовувати для розробки нових та кращих квантових технологій, вважають вчені.

Читати далі:

З'ясувалося, що відбувається з мозком людини після однієї години у лісі

Стало відомо, який чай руйнує білок у мозку

Дивні морські істоти на глибині океану виявилися схожими на людину