Квантовая температура: соединяя классический и квантовый миры

Как классическая температура образуется в квантовом мире? Эксперимент в Венском технологическом университете напрямую демонстрировал появление и распространение температуры в квантовой системе. Примечательно, что квантовые свойства теряются, хотя квантовая система полностью изолирована и не связана с внешним миром.

Связь между микроскопическим миром квантовой физики и нашего повседневного опыта, который относится к гораздо более крупным объектам, до сих пор остается загадочной. Когда над квантовой системой выполняют измерение, это неизбежно приводит к ее возмущению, и некоторые из ее квантовых свойств теряются.

Облако атомов, например, может быть приготовлено таким образом, что каждый атом одновременно расположен в двух разных местах, образуя идеальную квантовую суперпозицию. Однако как только положение атомов измеряется, эта суперпозиция будет уничтожена. В результате атомы будут располагаться на некоторых четко определенных местах. Они будут вести себя так же, как классические объекты.

В этом случае переход от квантового поведения к классическому инициируется при измерении – контактом с внешним миром. Но что происходит, если квантовая система не подвергается влиянию извне вообще? Могут ли еще появиться классические свойства?

«Мы изучаем облака, состоящие из нескольких тысяч атомов, - объясняет Тим Ланген (Tim Langen), ведущий автор из исследовательской группы проф. Йорга Шмидмайера (Jörg Schmiedmayer) в Венском технологическом университете. -Такое облако достаточно мало, чтобы эффективно изолировать его от остального мира, но оно достаточно велико, чтобы изучать, как теряются квантовые свойства».

В эксперименте облако атомов разделено на две половины. Через некоторое время две половинки сравниваются друг с другом. Таким образом, ученые могут измерить силу квантовомеханической связи между облаками. Первоначально эта связь является совершенной, все атомы находятся в высокоупорядоченном квантовом состоянии. Но поскольку облако является большим объектом, состоящим из тысяч частиц, этот порядок не остается надолго.

Поскольку атомы взаимодействуют друг с другом, беспорядок начинает распространяться с определенной скоростью. Атомы в уже неупорядоченных областях теряют некоторые свои квантовые свойства. Их можно характеризовать температурой так же, как в классическом газе. «Скорость, с которой распространяется беспорядок зависит от числа атомов», - сказал Тим Ланген. Это определяет четкую границу между областями, которые могут быть описаны с помощью классической температуры, и областями, где квантовые свойства остаются неизменными.

Через некоторое время беспорядок распространяется по всему облаку. Замечательным в этом наблюдении является то, что эта потеря квантовых свойств происходит только из-за квантовых эффектов внутри облака атомов, без какого-либо влияния со стороны внешнего мира. «До сих пор, такое поведение было только предположением, но наши эксперименты показывают, что природа действительно ведет себя таким образом», - отметил проф. Йорг Шмидмайер.

В некотором смысле, облако атомов ведет себя как собственная миниатюрная вселенная. Оно изолировано от окружающей среды, так что его поведение определяется исключительно его внутренними свойствами. Начиная с полностью квантовомеханического состояния, облако выглядит «классическим» через некоторое время, даже если оно развивается в соответствии с законами квантовой физики. Именно поэтому эксперимент может не только помочь нам понять поведение больших атомных облаков, это также может помочь объяснить, почему мир, что мы видим каждый день выглядит таким классическим, даже если он управляется квантовыми законами.

Принцип эксперимента: В начале облако атомов готовится в почти идеально упорядоченном квантовом состоянии (серые атомы). Со временем этот квантовый порядок теряется и беспорядок распространяется по системе с определенной четкой скоростью (смесь красных и серых атомов). Этот беспорядок может быть связан с возникновением температуры. Начальные квантовые свойства теряются только вследствие взаимодействие между атомами, без какого-либо влияния со стороны внешнего мира