اثبات احتمال سرد و گرم بودن به طور همزمان

دما یک کمیت فیزیکی بسیار مهم است. این کمیت اجازه می دهد که بتوان توضیح آماری ساده‌ای در مورد انرژی حرکت چرخشی ذرات حول مسیرهای پیچیده بدون نیاز به دانستن جزئیات خاص سیستم به دست آورد. به عبارت دیگر دمای هر جسم متناسب با انرژی جنبشی متوسط مولکول‌های سازنده آن است. دانشمندان دانشگاه صنعتی وین با همکاری دانشگاه آلمانی هایدلبرگ در یک تحقیق مشترک چگونگی رسیدن ذرات کوانتومی به حالتی که در آن توضیحات آماری امکان پذیر است را بررسی کردند و نتیجه‌ای که حاصل شد آنها را متعجب کرد؛ ابری از اتم‌ها می تواند چندین درجه حرارت مختلف را به طور همزمان داشته باشد. این یک گام مهم به سوی درک عمیق ‌تر سیستم‌های کوانتومی بزرگ و خواص عجیب و غریب آنها است.

 

جایی که مسایل پیچیده می‌شوند آمار به کمک می‌آید

هوای اطراف متشکل از مولکول‌های بی شماری است که به صورت تصادفی در حال حرکت هستند. این امر که بتوان همه آنها را پیگیری کرد و مسیرهای حرکت آنها را توصیف کرد می تواند کاملا غیر ممکن باشد. اما به دلایل مختلف پیگیری آنها ضرورت ندارد. خواص گاز را می‌ توان توسط انرژی ذرات آن به دست آورد که این خواص توصیف کننده رفتار دسته جمعی تمام مولکول‌ها، مانند فشار هوا و یا درجه حرارت است. در یک روز گرم تابستان، مولکول‌ها در حدود 430 متر در ثانیه حرکت می کنند اما در فصل زمستان این سرعت کمی کمتر می ‌شود.

این دیدگاه آماری (که توسط فیزیکدان وینی، لودویگ بولتزمن توسعه داده شد) ثابت کرده است که در توصیف بسیاری از سیستم های فیزیکی مختلف، از آب در حال جوش گرفته تا انتقال فاز در کریستال های مایع صفحه نمایش LCD می‌تواند بسیار موفق عمل کند. با این حال، به رغم تلاش های بسیار، سوالاتی هستند که مانند سوالات مربوط به سیستم های کوانتومی، بی‌جواب باقی مانده‌اند. یکی از اساسی‌ترین این سوالات در علم فیزیک، قوانین مشهور فیزیک آماری پدید آمده از بسیاری بخش‌های کوانتومی کوچک است.

فیزیک آماری یکی از نظریه‌های بنیادی فیزیک است که از روش‌های آماری برای حل مسئله‌های فیزیک استفاده می‌کند. این شاخه از فیزیک زمینه‌های بسیاری با ماهیت کاتوره‌ای را در بر می‌گیرد و عبارت «فیزیک آماری» اشاره به رویکردهای آماری و احتمالاتی به مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی دارد.

 

گرم و سرد در یک زمان واحد

دانشمندان دانشگاه صنعتی وین رفتار یک سیستم چند ذره‌ای کوانتومی را به منظور درک ظهور ویژگی‌های آماری آن مورد مطالعه قرار دادند. گروهی از پژوهشگران به سرپرستی پروفسور یورگ اشگیدمایر نوع خاصی از ریزتراشه را برای گرفتن ابری از چندین هزار اتم استفاده کردند تا با سرد کردن آن ابر به اندازه صفر مطلق در 273- درجه سانتی گراد، ویژگی‌های کوانتومی آن را قابل مشاهده کنند.

این آزمایش نتایج قابل توجهی در برداشت؛ هنگامی که شرایط خارجی در تراشه به طور ناگهانی تغییر کرد، گاز کوانتومی توانست در آن واحد دماهای مختلفی به خود بگیرد به طوری که در یک زمان هم سرد و هم گرم باشد. تعداد درجه حرارت‌ها دقیقا به چگونگی دستکاری کردن گاز توسط دانشمندان بستگی دارد. تیم لانگن، نویسنده اصلی مقاله منتشر شده در مجله ساینس می‌گوید: « با چنین ریزتراشه‌ای ما می توانیم سیستم های کوانتومی پیچیده را به خوبی کنترل و رفتار آنها را اندازه گیری کنیم. تا به امروز تنها محاسبات نظری وجود داشتند که این اثر را پیش بینی می‌کردند، اما هرگز فکر نمی‌کردیم که این اثر را بتوانیم مشاهده کنیم و یا در یک محیط کنترل شده آن را ایجاد کنیم.»

این آزمایش به دانشمندان در درک قوانین اساسی فیزیک کوانتوم و ارتباط آنها با قوانین آماری ترمودینامیک کمک می‌کند که می‌تواند مربوط به بسیاری از سیستم های کوانتومی متفاوت، شاید حتی اپلیکیشن‌های فناوری ‌شود. در نهایت نتایج این آزمایش پژوهشگران را در درک نحوه پدید آمدن جهان ماکروسکوپی کلاسیک ما از اجزای کوانتومی عجیب و غریب راهنمایی خواهد کرد.

منبع

 

No tags for this post.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا