Чашка со льдом и Большой взрыв

Ультрахолодные холодные атомы на чипе

ТЕКСТ: София Нескучная

ФОТО: Vienna University of Technology

Ученым удалось показать, что в микромире атомы«тают» совсем не так, как лед в чашке с водой. Понимание протекания этого процесса важно для обеспечения работы квантовых компьютеров, а также объяснения процессов, протекавших в кварк-глюонной плазме сразу после Большого взрыва.

Каждый день мы наблюдаем, как системы приходят в тепловое равновесие. Простейший пример – кубики льда, тающие в воде. Молекулы воды во льду и в жидкости достигнут теплового равновесия, придя к одной и той же температуре. Упорядоченные кристаллы льда станут хаотичной жидкостью.

Эксперименты, проведенные в центре квантовой науки и технологий Венского технологического университета показали, что

в квантовом мире тепловое равновесие достигается не так просто, как в стакане воды, а сам процесс гораздо запутаннее, чем считалось ранее.

Их работу публикует журнал Science.

Процесс протекает не в одну, а в две стадии. Между начальным упорядоченным состоянием(в нашем примере это лед) и конечным статистически разупорядоченным(в нашем примере это жидкая вода) может существовать так называемое квазистационарное промежуточное состояние. Это состояние интересно тем, что иногда обладает некоторыми свойствами равновесного, сохраняя черты упорядоченности начального состояния достаточно долгое время.

Это явление«промежуточного равновесия», как предполагается, играет важную роль в ряде разнообразных неравновесных процессов в квантовой физике.

Таким неравновесным процессом, например, является развитие ранней Вселенной, и понимание строения«промежуточного равновесия» необходимо для его изучения.

«В своих экспериментах мы начали с модели одномерного квантового газа ультрахолодных атомов, так называемого конденсата Бозе–Эйнштейна. Сначала мы делим этот объект на две части, пополам, а затем – очень быстро – соединяем. И в этот момент наблюдается упорядоченная интерференционная картина, что говорит о том, что оба облака атомов все еще«помнят», что изначально были одним целым», – объясняет профессор Йорг Шмидмайер, руководивший исследованием, слова которого приводит пресс-служба университета.

Спустя некоторое время разделенные атомные облака должны прийти к тепловому равновесию. И вот что интересно: со временем упорядоченность интерференционной картины падает неравномерно.

Сначала степень упорядоченности снижается быстро, а затем система на какое-то время«замирает» в том самом состоянии«промежуточного равновесия»,

хотя кажется логичным прямое достижение минимума упорядоченности.

Австрийским ученым-экспериментаторам пришлось привлечь коллег из группы нашего бывшего соотечественника Евгений Демлера, работающего сейчас в Гарварде, чтобы объяснить наблюдаемое явление.

«Оказалось, что промежуточное состояние возникает из-за того, что система в микромире подчинена законам квантовой физики, определяющим, как атомное облако делится на два», – поясняет Шмидмайер.

Достижение теплового равновесия чрезвычайно важно в квантовой физике: абсолютный ноль недостижим, поэтому все эксперименты связаны и с тепловыми эффектами.

Например, проведение расчетов или хранение данных на квантовом компьютере неизбежно создает неравновесные состояния, которые стремятся к равновесию, разрушая(как в тающем кубике льда) начальное состояние.

Не менее важно учитывать эти эффекты при изучении кварк-глюонной плазмы – состояния, в котором пребывало вещество сразу после Большого взрыва, через миллиардные доли секунды. Сегодня ее изучают, сталкивая тяжелые ионы в коллайдерах – Большом адронном коллайдере и на строящемся в Дубне коллайдере NICA. Все эти сверхбыстрые процессы были исключительно неравновесными, и здесь необходимо учитывать процесс их протекания.