Недостижимое равновесие

[Monopole]

Недостижимое равновесие
14.04.06 | Физика | Комментировать



Классическая «Колыбель Ньютона». Увидеть ее в действии можно здесь (изображение с сайта physicsweb.org)


Американским физикам впервые удалось создать газ, который никогда не достигает термодинамического равновесия. Дэвид Вайс и его коллеги из Пенсильванского университета провели эксперимент с одномерным бозе-газом сверххолодных атомов рубидия. По сообщению группы, газ ведет себя как квантовая «Колыбель Ньютона» — атомный эквивалент популярной игрушки из пяти стальных шариков, висящих на нитях вдоль одной прямой. Этот эксперимент поможет лучше понять поведение многочастичных систем и может быть использован на практике — например, при создании сверхчувствительных силовых детекторов.

Если вы поместите два различных газа в один объем, они в конце концов из-за взаимных столкновений атомов полностью перемешаются. Таким образом система переходит в свое наиболее вероятное состояние, которое называется термодинамическим равновесием. Однако, команда Д. Вайса обнаружила, что одномерный газ ведет себя совершенно по-другому и никогда не достигает состояния равновесия.

Эксперимент начался с конструирования одномерной оптической ловушки при помощи интерферирующих лазерных лучей, которые формируют решетку из тысяч параллельных цилиндрических ловушек. Затем физики вводят в ловушку сверххолодный газ, содержащий десятки тысяч атомов рубидия, охлажденных практически до абсолютного нуля. Эта система известна как бозе-эйнштейновский конденсат, в котором все атомы находятся в одном и том же квантовом состоянии.


Квантовая «Колыбель Ньютона» во время первого цикла колебаний. Каждый атом сталкивается с половиной всех атомов дважды за 13-миллисекундный цикл, то отскакивая, то проходя сквозь атомы (© David Weiss, изображение с сайта physicsweb.org)


В каждой трубке ловушки содержится около 150 атомов. Атомы удерживаются в одном измерении благодаря форме ловушки. Затем ученые при помощи других лазеров придают атомам импульс, и те начинают колебаться с одинаковой амплитудой. Хотя атомы и сталкиваются друг с другом так же, как и в реальном газе, их распределение по импульсу не изменяется. Вместо этого каждый атом продолжает колебаться с такой же амплитудой, что и в начале эксперимента, — даже после тысяч соударений.

По сообщению исследователей, система ведет себя как квантовый аналог «Колыбели Ньютона». В классической версии этой игрушки шарик на одном конце системы ударяется о следующий шарик, но только самый последний шарик начинает движение, все же другие остаются в покое. В «квантовой версии» игрушки мы имеем тысячи атомов вместо пяти шариков, и иногда вместо соударения атомы проходят друг сквозь друга, но физика явления остается той же самой.

«Такое поведение, когда величина импульса не меняется, хотя импульс передается между шариками, возникает только в одномерном случае, — объясняет Дэвид Вайс. — Столкновения между частицами в двумерном или трехмерном случае очень быстро приводят к установлению знакомого нам однородного состояния термодинамического равновесия».

Исследование может пролить свет на природу процессов установления термодинамического равновесия в многочастичных системах. Одномерный атомарный газ может быть использован при создании высокоточных силовых сенсоров, поскольку в таком случае точность не будет ограничена столкновениями атомов.

Вайс замечает также, что новая система является «интегрируемой» — она может быть описана уравнениями движения, которые могут предсказать будущие и прошлые состояния системы. «Известно всего несколько интегрируемых многочастичных систем, и это первый случай экспериментального наблюдения такой системы».