Новые наблюдения ученых фиксируют ключевой переход от классического к квантовому поведению

3 508

Мир, в котором мы живем, подчиняется классической физике. То, как мы движемся, где мы находимся и как быстро мы идем, определяется классическим предположением, что мы можем существовать только в одном месте в любой момент времени.

Но в квантовом мире поведение отдельных атомов регулируется принципом, согласно которому местоположение частицы является вероятностью. Например, у атома есть определенный шанс оказаться в одном месте и другой шанс оказаться в другом месте в одно и то же время.

Когда частицы взаимодействуют исключительно вследствие этих квантовых эффектов, должно происходить множество странных явлений. Но наблюдать такое чисто квантово-механическое поведение взаимодействующих частиц среди всепоглощающего шума классического мира — задача непростая.

Теперь физики Массачусетского технологического института непосредственно наблюдали взаимодействие частиц в конкретном состоянии материи: вращающейся жидкости ультрахолодных атомов. Исследователи предсказали, что во вращающейся жидкости будут преобладать взаимодействия, которые заставят частицы демонстрировать экзотическое, невиданное ранее поведение.

В исследовании, опубликованном 5 января 2022 года в журнале Nature, команда Массачусетского технологического института быстро поворачивала квантовую жидкость из ультрахолодных атомов. Они наблюдали, как изначально круглое облако атомов сначала деформировалось в тонкую игольчатую структуру. Затем, когда классические эффекты ушли, оставив только взаимодействие частиц и квантовые законы, чтобы управлять поведением атомов, игла спонтанно превратилась в кристаллический узор, напоминающий вереницу миниатюрных квантовых торнадо.

«Эта кристаллизация обусловлена ​​исключительно взаимодействием и говорит нам, что мы переходим от классического мира к квантовому миру», — говорит Ричард Флетчер, доцент физики в Массачусетском технологическом институте.

Результаты являются первой прямой документацией эволюции быстровращающегося квантового газа на месте. Мартин Цвирляйн, профессор физики Массачусетского технологического института имени Томаса А. Франка, говорит, что вращающихся атомов в целом аналогична тому, как вращение Земли вызывает крупномасштабные погодные явления.

«Эффект Кориолиса, который объясняет эффект вращения Земли, подобен силе Лоренца, которая объясняет, как заряженные частицы ведут себя в магнитном поле», — отмечает Мартин Цвирляйн. «Даже в классической физике это приводит к формированию интригующего узора, подобно облакам, обволакивающим Землю красивыми спиральными движениями. И теперь мы можем изучить это в квантовом мире».

Вращающиеся квантовые жидкости

В 1980-х годах физики начали наблюдать новое семейство веществ, известных как квантовые жидкости Холла, которые состоят из облаков электронов, плавающих в магнитных полях. Вместо того, чтобы отталкивать друг друга и образовывать кристалл, как предсказывает классическая физика, частицы подстраивают свое поведение под поведение своих соседей квантовым образом.

«Физики обнаружили всевозможные удивительные свойства, и причина была в том, что в магнитном поле электроны (классически) застыли на месте — вся их кинетическая энергия отключена, и остались только взаимодействия», — говорит Ричард Флетчер. «Итак, весь этот мир возник. Но его было чрезвычайно трудно наблюдать и понимать».

В частности, в магнитном поле движутся очень малыми движениями, которые трудно увидеть. Ученые пришли к выводу, что, поскольку движение атомов при вращении происходит на гораздо больших масштабах длины, они могли бы использовать ультрахолодные в качестве заменителей электронов и наблюдать идентичную физику.

«Мы подумали, давайте заставим эти холодные вести себя так, как если бы они были электронами в магнитном поле, но это мы могли бы точно контролировать. Тогда мы можем визуализировать, что делают отдельные атомы, и посмотреть, подчиняются ли они одной и той же квантово-механической физике».

Квантовая

В своем новом исследовании физики использовали лазеры для захвата облака из примерно 1 миллиона атомов натрия и охладили до температуры около 100 нанокельвинов. Затем они использовали систему электромагнитов для создания ловушки, удерживающей атомы, и коллективно вращали атомы вокруг, как шарики в чаше, со скоростью около 100 оборотов в секунду.

вращающаяся жидкость квантовых частиц
Точно так же, как формирование погодных условий на Земле, здесь вращающаяся жидкость квантовых частиц распадается на кристаллический узор, образованный из вращающихся структур, подобных торнадо.

Команда сфотографировала облако с помощью камеры, зафиксировав перспективу, похожую на точку зрения ребенка, когда он смотрит в центр карусели на игровой площадке. Примерно через 100 миллисекунд исследователи заметили, что превратились в длинную игольчатую структуру, которая достигла критической квантовой толщины.

“В классической жидкости она просто продолжала бы становиться тоньше”, — говорит Мартин Цвирляйн. “Но в квантовом мире жидкость достигает предела того, насколько тонкой она может стать”.

«Когда мы увидели, что она достигла этого предела, у нас были веские основания думать, что мы стучимся в дверь интересной квантовой физики», — добавляет Ричард Флетчер. «Тогда вопрос был в том, что будет делать эта игольчатая жидкость под воздействием чисто вращения и взаимодействий?»

Ученые сделали важный шаг вперед в своем эксперименте, чтобы увидеть, как будет развиваться игольчатая жидкость. По мере того как жидкость продолжала вращаться, они наблюдали, как начинает проявляться квантовая нестабильность: стрелка начала колебаться, затем свернуть штопором и, наконец, превратилась в цепочку вращающихся сгустков или миниатюрных торнадо — квантовый кристалл, возникающий исключительно в результате взаимодействия вращение газа и силы взаимодействия между атомами.

«Эта связана с идеей о том, как бабочка в Китае может вызвать здесь шторм из-за нестабильности, вызывающей турбулентность», — объясняют ученые. «Здесь у нас квантовая погода: жидкость из-за своей квантовой нестабильности распадается на кристаллическую структуру из меньших облаков и вихрей. И это прорыв — возможность увидеть эти квантовые эффекты напрямую».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
3 Комментарий
Первые
Последние Популярные
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
РР (РоманРыбка)
РР (РоманРыбка)
Гость
15 дней назад

«Например, у атома есть определенный шанс оказаться в одном месте и другой шанс оказаться в другом месте в одно и то же время.» Где это вы такое видели? У электрона «есть такой шанс», а вот у атома сомневаюсь! И вся причина кроется лишь в том, что электрон может быть СОСТАВНОЙ ЧАСТЬЮ отдельной частицы. Когда «учёные» рассматривают электрон в атоме как отдельная частица, хотя это лишь «делимое» атома., То тогда подобный «эффект» присутствует. Но это лишь ошибка в выводах самих учёных. (Никакой «неопределённости» в природе никогда не было). Да, есть «конденсат Бозе-Эйнштейна» (БЭК), где группа атомов проявляет свойства как единая частица… Подробнее »

Игорек М
Игорек М
Гость
Ответить на  РР (РоманРыбка)
13 дней назад

Совершенно верно, у атома такой способности нет!

Last edited 13 дней назад by Игорек М
Игорек М
Игорек М
Гость
13 дней назад

Наконец то стали различать классическую и квантовую. Классическая физика — это поверхностное наблюдение (песочница, как я её называю), а квантовая, это уже более зрелый подход. 🙂 Удачи.

Last edited 13 дней назад by Игорек М
3
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x