W trakcie badań zespół schłodził blisko 100 000 atomów cezu do niewyobrażalnie niskiej temperatury, zaledwie kilku miliardowych części stopnia powyżej absolutnego zera. W takich ekstremalnych warunkach materia zaczyna zachowywać się zupełnie inaczej niż w naszym makroświecie. Naukowcy umieścili te ultrazimne atomy w tysiącach mikroskopijnych rurek, każda o średnicy porównywalnej z pojedynczym atomem. Tak powstał jednowymiarowy gaz kwantowy – układ o niezwykłych właściwościach.
Kluczowy moment nastąpił, gdy badacze zaczęli bombardować układ seriami impulsów laserowych, sięgającymi nawet kilkuset powtórzeń. Według klasycznej fizyki, taka intensywna dawka energii powinna była wywołać nieuchronny proces wzrostu temperatury, a tym samym atomy miały się rozgrzać, rozproszyć zwiększając poziom chaosu. Ku zaskoczeniu naukowców, nic takiego nie nastąpiło.
Porządek wbrew oczekiwaniom
Zamiast spodziewanego chaosu, system ustabilizował się w zadziwiająco uporządkowanym stanie. Rozkład pędów atomów przestał ewoluować po wstępnej fazie, co wskazuje na istnienie nieznanej wcześniej granicy dla entropii. Tysiące atomów zaczęły poruszać się niemal identycznie, jakby były ze sobą kwantowo zsynchronizowane. To zjawisko, nazywane dynamiczną lokalizacją wielociałową, zaobserwowano niezależnie od siły oddziaływań między atomami.
Czytaj także: Fizycy przewidują mutacje genetyczne. Druga zasada termodynamiki zaskakuje
Odkrycie to stawia pod znakiem zapytania podstawowe założenia dotyczące przepływu energii w przyrodzie. Druga zasada termodynamiki głosi, że wszystkie układy fizyczne powinny dążyć do stanu równowagi termodynamicznej, gdzie energia rozkłada się równomiernie, a nieporządek rośnie. Tymczasem atomy cezu w tym eksperymencie zdołały zachować swój uporządkowany stan mimo wielokrotnego „atakowania” energią. Choć entuzjazm jest zrozumiały, warto zachować naukową ostrożność – to wciąż eksperyment w bardzo specyficznych warunkach, a nie obalenie termodynamiki w codziennym świecie.
Praktyczne implikacje
Dla rozwijających się technologii kwantowych to odkrycie może mieć znaczenie praktyczne. Termalizacja stanowi główną przeszkodę w budowaniu stabilnych systemów kwantowych, ponieważ niszczy delikatny stan koherencji niezbędny do ich działania. Znalezienie sposobów na ograniczenie tego zjawiska otwiera potencjał dla czujników kwantowych o bezprecedensowej dokładności, bardziej odpornych pamięci kwantowych oraz komputerów kwantowych o większej stabilności.
Czytaj także: Pluton łamie prawa fizyki na naszych oczach. Naukowcy wreszcie odkryli dlaczego
Badacze z Innsbrucka planują teraz rozszerzyć eksperyment o grubsze rurki i możliwość przemieszczania się atomów między nimi. Te kolejne testy powinny pokazać, czy zaobserwowane zjawisko ma charakter uniwersalny, czy jest ograniczone do bardzo wąskiego zakresu warunków. Bez względu na wyniki, już teraz wiemy, że świat kwantowy wciąż potrafi zaskakiwać.