Физикам из Пенсильванского университета впервые удалось получить одномерный газ, который никогда не приходит в состояние равновесия.
Время, как известно, бежит только в одну сторону. Молекулы капельки чернил в стакане воды разбредаются по всему стакану, но не могут опять собраться в каплю. Два газа в баллоне с перегородкой перемешиваются, если перегородку убрать, но не способны снова разделиться. Тем не менее лежащие в основе всех этих процессов законы механики классической или квантовой обратимы во времени. И это противоречие между поведением больших систем, всегда эволюционирующих в одном направлении, стремясь к состоянию так называемого термодинамического равновесия, и обратимыми законами микромира ученые не могут разрешить уже почти полтора века. А от решения этой проблемы зависит, например, возможность создания квантовых компьютеров. Необратимые процессы разрушают нежные квантовые вычисления – и тем быстрее, чем больше атомов участвует в этих процессах. И вот теперь удалось создать достаточно большую квантовую систему из нескольких десятков и даже сотен атомов газа рубидия, которая удивительно долго не стремится к состоянию равновесия.
Существование таких систем в одном измерении теория предсказывала давно. Исследователи охладили газ почти до абсолютного нуля, заставив атомы собраться в так называемый квантовый конденсат Бозе-Эйнштейна. Газовое облако захватили в оптическую ловушку из лазерных лучей, интерферирующих друг с другом так, чтобы ловушка имела форму тысяч параллельных трубок. В них атомы колеблются только в одном измерении – вдоль трубы, сталкиваясь лишь со своими соседями. Это очень похоже на известную игрушку – маятник Ньютона, состоящий из нескольких подвешенных в ряд на нитках металлических шариков, которые могут сталкиваться друг с другом. Великий английский физик придумал ее для демонстрации закона сохранения импульса, передающегося от шарика к шарику при столкновениях. И так же, как в маятнике Ньютона, если атомы рубидия «толкнуть» лазером, они очень долго будут колебаться и сталкиваться, не приходя в состояние термодинамического равновесия с одинаковым для всех атомов распределением скоростей. Атомы в эксперименте могли сталкиваться несколько тысяч раз, тогда как в обычной ситуации уже нескольких столкновений вполне достаточно, чтобы достичь равновесия.
Теперь ученым предстоит понять, как происходит переход к хаосу и равновесию, если систему из одномерной постепенно делать двух– и трехмерной (для этого достаточно ослабить лазерные лучи, позволив атомам туннелировать между соседними трубками).
Эксперименты имеют и важное практическое значение. Такие конфигурации из сотен атомов могут стать сверхточными детекторами силы и прекрасными атомными интерферометрами. Сейчас трудно загадывать, но вполне возможно, что на основе похожих экспериментов могут быть реализованы и квантовые вычисления. – Г.А.
