Fizycy zamknęli tysiące atomów w kwantowym drucie, gdzie masa i energia płyną bez strat. System wymyka się klasycznym prawom rozpraszania energii.
Naukowcy z TU Wien zamknęli tysiące atomów rubidu w jednowymiarowej pułapce i obserwowali, jak masa i energia płyną przez ten układ bez najmniejszych oznak tłumienia. Gaz zachowuje się tak, jakby nie znał tarcia – choćby po niezliczonych zderzeniach. To nie tylko efektowny eksperyment, ale też poważne wyzwanie dla naszego rozumienia zasad termodynamiki.
Gaz, który nie chce się zatrzymać
W codziennym świecie każdy przepływ ma swoją cenę. Prąd elektryczny nagrzewa przewody, gorąco uciekające z kaloryfera po drodze się rozmywa, a woda w rurach napotyka opór. Źródłem tego wszystkiego jest tarcie i zderzenia – mikroskopijne procesy, które zamieniają uporządkowany ruch w chaotyczne drgania cząsteczek.
W laboratorium w Wiedniu udało się stworzyć sytuację, w której ten scenariusz po prostu się nie realizuje. Zespół fizyków wziął chmurę ultrazimnego gazu złożonego z atomów rubidu i zamknął ją w niemal idealnie jednowymiarowym kanale utworzonym dzięki pól magnetycznych i optycznych. Atomy mogą tam poruszać się tylko wzdłuż jednej osi.
W tak przygotowanym układzie badacze wygenerowali przepływ masy i energii, a następnie obserwowali, jak zmienia się on w czasie. Intuicja podpowiadałaby nam, iż niezliczone zderzenia między atomami powinny z czasem rozmyć uporządkowany ruch i doprowadzić system do zwykłej równowagi termicznej. Tymczasem nic takiego się nie stało: prąd atomów pozostawał stabilny, a przepływ nie słabł, jakby gaz był idealnym przewodnikiem.
Ruch balistyczny kontra zwykła dyfuzja
Żeby zrozumieć, dlaczego ten wynik jest tak niezwykły, trzeba przypomnieć sobie dwa podstawowe sposoby, w jakie w fizyce opisuje się transport. Pierwszy to transport balistyczny, czyli sytuacja, w której cząstki praktycznie się nie zderzają i lecą jak pociski wystrzelone z pistoletu. jeżeli podwoimy czas, podwaja się pokonana droga. Tak porusza się np. elektron w idealnie czystym materiale na bardzo krótkich dystansach.
Drugi typ to transport dyfuzyjny, który jest związany z wieloma losowymi zderzeniami. Tutaj cząstka co chwilę zmienia kierunek i prędkość, a jej ruch jest nieuporządkowany. W takim reżimie, żeby pokonać 2 razy większą odległość, potrzeba zwykle 4 razy więcej czasu. Tak działa przewodzenie ciepła w metalach czy rozprzestrzenianie się zapachu w pokoju.
W eksperymencie z rubidem widać coś pośredniego, ale znacznie bliższego ideałowi. Z jednej strony zderzeń jest bardzo dużo, więc nie można mówić o swobodnym, balistycznym locie pojedynczych atomów. Z drugiej strony efekt tych zderzeń nie przypomina klasycznej dyfuzji. Przepływ się nie rozmywa i nie zamienia w chaotyczny ruch. Z punktu widzenia obserwatora układ zachowuje się tak, jakby zjawiska dyssypacji (rozpraszania uporządkowanej energii na losowe drgania) zostały niemal całkowicie wyłączone.
Kwantowa nitka z atomów rubidu
Kluczem do tego zachowania jest geometryczne spłaszczenie gazu do jednej linii. W trójwymiarowej przestrzeni podczas zderzeń cząstki rozbiegają się w różne strony. W jednowymiarowym kanale nie ma takiej swobody: atomy mogą tylko doganiać się i odbijać wzdłuż tej samej prostej. Fizycy porównują to do biurkowej zabawki znanej jako kołyska Newtona. Gdy odciągniemy kulkę na jednym końcu i puścimy, uderzenie przechodzi przez cały rząd kul jak fala, a wychylenie pojawia się na drugim końcu. Poszczególne kulki na środku prawie się nie poruszają, ale pęd i energia są przekazywane dalej bez widocznej utraty.
W kwantowym drucie z rubidu zachodzi bardzo podobny efekt. Atomy nie mogą się rozminąć, więc zderzenia nie rozpraszają ich pędów w przypadkowych kierunkach. Zamiast tego wymieniają się nimi. Każdy atom zachowuje wartość pędu, która może być jedynie przekazywana kolejnym partnerom zderzeń. W rezultacie ruch jako całość trwa, zamiast stopniowo się wygaszać.
Czy naprawdę odkrycie łamie prawa termodynamiki?
Druga zasada termodynamiki mówi, iż układy zamknięte dążą do stanu równowagi, w którym energia jest możliwie równomiernie rozłożona, a procesy samorzutne zwiększają tzw. entropię, czyli miarę nieuporządkowania. W zwykłych układach, takich jak powietrze w pokoju czy wrzątek na kuchence, prawa dyfuzji działają bez zarzutu. Jednak w mikroskopijnych, precyzyjnie kontrolowanych układach kwantowych można stworzyć warunki, w których droga do równowagi staje się ekstremalnie długa albo wręcz zablokowana przez dodatkowe prawa.
Jednowymiarowy gaz atomów rubidu jest właśnie takim przypadkiem. Liczne zderzenia nie prowadzą do typowej termalizacji, bo system ma zbyt wiele wielkości, które muszą pozostać zachowane. Zamiast klasycznego stanu równowagi pojawia się inny, bardziej subtelny porządek typowy dla fizyki kwantowej.
Właśnie dlatego fizycy mówią, iż przepływ w tym gazie łamie nasze przyzwyczajenia wyniesione z podręczników termodynamiki, ale tak naprawdę nie narusza wprost fundamentalnych praw przyrody. Przeciwnie – pokazuje, jak bogaty jest katalog możliwych zachowań, gdy zaczynamy manipulować atomami niczym klockami w dobrze naoliwionym laboratorium.
Po co nam gaz, który nie zna tarcia?
Jednowymiarowe przewody z ultrazimnych atomów to doskonałe modele do badania, jak w mikroskali rodzi się opór, przewodnictwo czy nadprzewodnictwo. Można w nich włączać i wyłączać różne mechanizmy oddziaływań, sprawdzać, kiedy pojawia się dyssypacja, a kiedy układ pozostaje niemal idealnie bezstratny.
Wiedza zdobyta w takich eksperymentach może pomóc projektować nowe materiały, w których prąd elektryczny, energia czy informacja kwantowa będą przemieszczać się możliwie efektywnie. Każdy krok w stronę zrozumienia, jak utrzymać uporządkowany ruch bez strat, przybliża nas do wydajniejszych technologii – od elektroniki przyszłości po elementy przyszłych komputerów kwantowych.
Na razie jednak największą wartością pracy zespołu z Wiednia jest samo pokazanie, iż można w kontrolowany sposób stworzyć gaz bez tarcia, w którym masa i energia płyną bez widocznych strat, mimo iż atomy nieustannie się zderzają. To kolejny przykład na to, iż w świecie kwantów intuicja z klasycznej fizyki bardzo gwałtownie przestaje wystarczać.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
