Квантова фізика порушує всі правила, наприклад, класичні закони термодинаміки, які описують, як
У деяких експериментах вчені з'ясували, що досліджуваний об'єкт може охолоджуватися, навіть якщо він знаходиться з чимось набагато гарячішим.Вчені кажуть, що це ніби дістаєш з духовки гарячу сковороду і рука не нагрівається, а остигає.
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 просто.У той час як на початку експерименту квантовий маятник можепоглинають енергію так само, як і механічну, з часом, при багаторазових впливах, вона вийде назовніна плато і розподіл імпульсів застигне в динамічно локалізованому стані.
Щоб пояснити таку аномалію для окремих частинок, вчені використовували математику.Вони вважають, що квантово-механічні хвилі ймовірності коливаються і стикаються один з одним саме так, що гребені і западини зустрічаються і виключаютьбудь-яка можливість поглинання енергії частинкою.
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 змусили атоми зіткнутися і розлетітися на частини, або використовували резонанс Фешбаха, щоб утримати їх разом.Цей ефект виникаєпри зіткненні двох повільних холодних атомів, коли вони тимчасово злипаються і утворюютьНестабільне з'єднання з коротким терміном служби.
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
З'ясувалося, що новий стан не відповідає ні класичній термодинаміці, ні очікуваній поведінці локалізованого набору тіл.Гіпотеза, яку досліджували вчені, не припускала такого результату, але вона описує таку поведінкуЦе стосується дуже холодних груп частинок, які утворюютьКонденсат Бозе-Ейнштейна: це фаза речовини, в якій всі частинки маютьтой самий 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