Рождение температуры в квантовом мире | Наука 21 век

Наука 21 век » Рождение температуры в квантовом мире





Рождение температуры в квантовом мире

Декабрь 9th, 2013

Рождение температуры в квантовом миреКак в квантовом мире появляется классическая температура? Физики из Венского технологического университета смогли непосредственно пронаблюдать зарождение и распространение температуры [то есть, хаотического движения атомов] в квантовой системе. Что примечательно, квантовые свойства утрачиваются даже когда квантовая система полностью изолирована и не связана с внешним миром

Рождение температуры в квантовом миреКвантовая и классическая физика: от микроскопическому к макроскопическому миру
Связь между микроскопическим миром квантовой физики и нашим повседневным опытом до сих пор непонятна. Если измерить квантовую систему, она неизбежно возмущается и теряет часть своих квантовых свойств.

Облако атомов, к примеру, можно «настроить» так, что каждый атом одновременно находится в двух различных местах, образуя идеальную квантовую суперпозицию. Как только местонахождение атомов измеряется, суперпозиция уничтожается – остаются лишь атомы на определенных местах, ведущие себя как классические объекты.

То есть, переход от квантового поведения к классической физике инициируется измерением – контактом с внешним миром. Но что случится, если ничего не будет влиять на квантовую систему извне? Проявятся ли в ней классические свойства?

Беспорядок в квантовом мире
«Мы изучаем облака из нескольких тысяч атомов. Они достаточно мало, чтобы успешно изолировать их, но достаточно велики, чтобы изучать исчезновение квантовых свойств», - объясняет Тим Ланген (Tim Langen), ведущий автор работы, член исследовательской группы профессора Йорга Шмидмайера (Jörg Schmiedmayer).

В рамках эксперимента облака атомов были разделены на две половинки. Через некоторое время их сравнивали. Так ученые могут измерить квантовую механическую связь между облаками. Сначала она совершенна: все атомы пребывает в высоко упорядоченно квантовом состоянии. Но в большом облаке из тысяч частиц, такой порядок долго не выдерживается.

Утрата квантовых свойств без влияния извне
По мере взаимодействия атомов друг с другом, с определенной скоростью начинает распространяться беспорядок. Атомы в областях, где уже царит беспорядок, теряют свои квантовые свойства. Им можно присвоить температуру – совсем как в классическом газе. «Скорость распространения беспорядка зависит от количества атомов», - говорит Ланген. Так можно выявить четкую границу между регионами, которые можно описать классической температурой и регионами, где квантовые свойства остаются неизменными.

Через какое-то время беспорядок распространяется по всему облаку. Знаменательно то, что утрата квантовых свойств происходит исключительно по внутренним причинам. «Раньше такое поведение лишь предполагалось, но наши эксперименты показывают, что природа на самом деле так себя ведет», - замечает Шмидмайер.

Облака атомов: отдельный мир
В некотором смысле, облако атомов ведет себя как самостоятельная миниатюрная Вселенная. Оно изолировано от внешней среды – следовательно, его поведение определяется исключительно внутренними свойствами. Начав с полностью квантового механического состояния, облако через некоторое время становится «классическим», хотя оно эволюционирует по законам квантовой физики. Именно поэтому эксперимент не только помогает понять поведения больших облаков атомов – он объясняет, почему наш мир выглядит так «классически», несмотря на то, что им управляют квантовые законы.

На иллюстрации: смесь серых и красных атомов обозначает нарастание беспорядка в системе с регулярной скоростью.

Результаты эксперимента представлены в журнале Nature Physics.

По материалам пресс-релиза университета.

Артём Космарский nauka21vek.ru