Простая и понятная ньютоновская физика в XX веке сменилась множеством сложных концепций. Хотя у ученых есть множество локальных теорий, которые описывают различные состояния, создать общую теорию всего пока не получается. «Хайтек» рассказывает, как физики исследуют квантовый хаос, чтобы расширить границы термодинамики.
Квантовая физика нарушает все правила. Например, классические законы термодинамики, описывающие, как перемещаются тепло и энергия, превращаются в «рекомендации», которыми можно пренебречь, в случае мельчайших частицах.
В некоторых экспериментах ученые обнаружили, что исследуемый объект может остывать, хотя он находится с чем-то гораздо более горячим. Ученые говорят, что это похоже на то, как если бы вы достали горячую сковородку из духовки, а рука при этом не нагревалась, а, наоборот, остывала.
Чтобы узнать, что происходит с квантовым хаосом и как ему удается оставаться вне законов термодинамики, физики провели эксперимент с ультрахолодными атомами лития и лазером.
Аномальный хаос
Если взять обычный маятник и толкать его время от времени с разных сторон, то он будет поглощать энергию удара и раскачиваться, хаотично перемещаясь в пространстве. Несмотря на кажущуюся случайность движений, ее легко описать с помощью уравнений, учитывающих импульсы и направления, которые маятник получил в процессе воздействия.
В квантовом мире все не так однозначно. Вместо движения беспорядок может привести частицы к «остановке». В то время как в начале эксперимента квантовый маятник может поглощать энергию так же, как и механический, со временем, при повторяющихся воздействиях он выйдет на плато и распределение импульса замрет в динамически локализованном состоянии.
Чтобы объяснить такую аномалию для отдельных частиц, ученые использовали математику. Они полагают, что квантово-механические волны вероятности колеблются и сталкиваются друг с другом именно таким образом, что гребни и впадины встречаются и исключают любую возможность поглощения энергии частицей.
Но то, что происходит в реальных условиях, когда взаимодействие происходит между многими частицами, например, в системе, содержащей множество сталкивающихся электронов, после десятилетий споров оставалось загадкой.
Множественная локализация
Чтобы понять, что должно происходить, ученые предлагают представить чашку, в которую наливают кофе с молоком. Если холодное молоко наливают в горячий кофе, то со временем частицы перемешиваются, и весь напиток приходит в однородное состояние. Такой процесс называется термализацией, и ранее считалось, что он должен наблюдаться в любой системе.
За последние несколько десятилетий назад ученые поняли, что это не всегда так. Оказалось, что в квантовой системе хаос приводит к локализации множества тел. Это означает, что система не может достичь теплового равновесия и сохраняет память о своем начальном состоянии в локальных областях в течение бесконечного времени.
Что сделали ученые?
Чтобы проверить, как поведет себя сложная система, состоящая из множества частиц, ученые использовали газ лития. Они поместили около 100 тыс. ультрахолодных атомов в вертикальную волну света. Каждый такой атом представлял собой квантовый ротор (маятник), который можно было запустить при помощи лазерного импульса.
Ученые объясняют, что они заставляли атомы сталкиваться и разлетаться в разные стороны или использовали резонанс Фешбаха, чтобы держать их вместе. Этот эффект возникает при столкновении двух медленных холодных атомов, когда они временно слипаются и образуют нестабильное соединение с небольшим сроком жизни.
Когда частицы не взаимодействовали, исследователи увидели ожидаемый результат: частицы немного нагревались, прежде чем достигали постоянной температуры. Когда исследователи скорректировали эксперимент так, чтобы атомы могли немного взаимодействовать, они сначала увидели температурное плато на том же уровне. Но в отличие от одномерной теории атомы, в конце концов, снова начали нагреваться, хотя и не так быстро, как предсказывает обычная термодинамика.
Получилось, что новое состояние не соответствовало ни классической термодинамике, ни ожидаемому поведению локализованного множества тел. Гипотеза, которую исследовали ученые, не предполагала такого результата, зато подобное поведение описывает другая теория. Она применима к очень холодным группам частиц, которые образуют конденсат Бозе — Эйнштейна. Это фаза вещества, в которой все частицы имеют одно и то же квантовое состояние.
Уравнения, описывающие конденсат Бозе — Эйнштейна, предсказывают скорость медленного нагревания именно так, как происходило в проведенных экспериментах. Удивительно здесь то, что атомы, изученные учеными, не были таким конденсатом.
В каком-то смысле это двойная загадка. На самом деле мы не знаем, почему так происходит, но есть теория, которая не должна работать, но вроде как работает.
Виктор Галицкий, соавтор исследования
Почему это важно?
Наблюдаемые плато доказывают, что взаимодействия не всегда заставляют частицы подчиняться законам термодинамики. Исследуя, как изменяются законы на микроуровне, физики надеются сформировать новую теорию, которая свяжет между собой поведение материи как в микро-, так и в макромасштабе.
Такие эксперименты могут не только открыть новую квантовую физику, но также привести к разработке новых инструментов исследований. Если физику, лежащую в основе этих экспериментов, удастся «распутать», возможно, однажды температурные плато будут расширены и их можно будет использовать для разработки новых и лучших квантовых технологий, считают ученые.
Читать далее:
Выяснилось, что происходит с мозгом человека после одного часа в лесу
Стало известно, какой чай разрушает белок в мозге
Странные морские существа на глубине океана оказались похожи на человека