Теорема на статистическата физика е валидна и в квантовия свят, показва проучване

Физици от Университета в Бон доказват експериментално, че важна теорема от статистическата физика е приложима за така наречените "Бозе-Айнщайнови кондензати". Резултатите им сега дават възможност да се измерят някои свойства на квантовите "суперчастици" и да се изведат характеристики на системата, които иначе са трудни за наблюдение. Изследването вече е публикувано в Physical Review Letters.

Да предположим, че пред вас има контейнер, пълен с неизвестна течност. Вашата цел е да разберете доколко частиците в него (атоми или молекули) се движат произволно заради топлинната си енергия, но не разполагате с микроскоп, с който бихте могли да визуализирате тези колебания, наречени "Брауновото движение".

Оказва се, че това изобщо не е необходимо: можете също така просто да завържете обекта за връвчица и да го издърпате през течността. Колкото по-голяма сила трябва да приложите, толкова по-вискозна е течността. А колкото по-вискозна е тя, толкова по-малко частиците в течността променят средно своето положение. Следователно вискозитетът при дадена температура може да се използва, за да се предвиди степента на колебанията (флуктуациите).

Физическият закон, който описва тази фундаментална връзка, е флуктуационно-дисипативната теорема - теорема от статистическата физика, която свързва флуктуациите на дадена система (колебанията) с дисипативните ѝ свойства (разсейване). Флуктуационно-дисипативната теорема дава възможност да се изчисли връзката между молекулярната динамика на системата в състояние на термодинамично равновесие и макроскопичното поведение на системата.

С прости думи тя гласи: Колкото по-голяма е силата, която трябва да се приложи, за да се разстрои (за да изпадне в хаос) една система, толкова по-малки ще бъдат и нейните самостоятелни случайни (т.е. статистически) колебания, ако я оставите на спокойствие.

"Сега за първи път потвърдихме валидността на теоремата за специална група квантови системи: кондензатите на Бозе-Айнщайн", обяснява д-р Джулиан Шмит (Julian Schmitt) от Института по приложна физика към Университета в Бон.

^{При температури близо до абсолютната нула, атомите са в най-ниското си енергийно ниво. При тези температури квантово-механични ефекти стават забележими. В резултат на вероятностното им позициониране, атомите ще са като размити топки.
По идея на a-level physics tutor}

"Суперфотони", съставени от хиляди светлинни частици

Бозе-Айнщайновите кондензати (BEC - Bose-Einstein condensate) са екзотично физическо състояние на материята, което обикновено се случва само при много ниски температури.

Частиците в тази система, независимо дали са атоми, молекули или дори фотони, вече не се различават и са в едно и също квантово механично състояние. С други думи, те се държат като една гигантска „суперчастица“. Следователно състоянието може да бъде описано чрез единична вълнова функция.

В течност при определена температура молекулите се движат произволно. Колкото по-топла е течността, толкова по-силно изразени са тези топлинни колебания. Кондензатите на Бозе-Айнщайн също могат да се колебаят: Броят на кондензираните частици варира. И тези колебания също се увеличават с повишаване на температурата.

"Ако флуктуационно-дисипативната теорема се прилага за BEC, колкото по-голяма е флуктуацията на частиците, толкова по-чувствително трябва да реагират те на външно смущение", обяснява Шмит. "За съжаление броят [на] флуктуациите в обикновено изследваните BEC в свръхстудени атомни газове е твърде малък, за да се провери тази зависимост."

Изследователската група на проф. д-р Мартин Вайц (Martin Weitz), в рамките на която Шмит е младши ръководител на изследователската група, обаче работи с Бозе-Айнщайнови кондензати от фотони. И за тази система ограничението не важи.

"Ние правим така, че фотоните в нашите BEC да взаимодействат с молекули на багрила", обяснява физикът. Когато фотоните взаимодействат с молекули на багрила, често се случва такава молекула да "погълне" фотон. По този начин багрилото се възбужда енергийно. По-късно тя може да освободи енергията от възбуждането, "изплювайки" фотон.

Нискоенергийните фотони се поглъщат по-рядко

"Поради контакта с молекулите на багрилото броят на фотоните в нашите BEC показва големи статистически колебания", разказва Вайц. Освен това изследователите могат прецизно да контролират силата на тези колебания: В експеримента фотоните се улавят между две огледала, където се отразяват напред-назад по метода на играта пинг-понг.

Разстоянието между огледалата може да се променя. Колкото по-голямо е то, толкова по-ниска е енергията на фотоните. Тъй като фотоните с ниска енергия е по-малко вероятно да възбудят молекулата на багрилото (затова те се поглъщат по-рядко), броят на кондензираните светлинни частици сега се колебае много по-малко.

Сега физиците от Бон изследват как степента на колебание е свързана с "реакцията" на BEC. Ако е в сила флуктуационно-дисипативната теорема, тази чувствителност би трябвало да намалява с намаляването на флуктуациите.

"Всъщност успяхме да потвърдим този ефект в нашите експерименти", подчертава Шмит.

Както и при течностите, сега е възможно да се направят изводи за микроскопичните свойства на Бозе-Айнщайновите кондензати от макроскопичните параметри на реакцията, които могат да бъдат по-лесно измерени.

"Това открива пътя към нови приложения, като например точното определяне на температурата в сложни фотонни системи", коментира Шмит.

Справка: Fahri Emre Öztürk et al, Fluctuation-Dissipation Relation for a Bose-Einstein Condensate of Photons, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.033602

Източник: Statistical physics theorem also valid in the quantum world, study finds
Johannes Seiler, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn