Температура — это одна из основополагающих физических величин, которая позволяет, помимо всего прочего, вычислить энергию частиц, двигающихся по сложным траекториям, входящими в состав термодинамических систем, не имея необходимости знать об определенных характеристиках и параметрах этих систем. Однако, ученые из Венского технологического университета (Vienna University of Technology) и Гейдельбергского университета (Heidelberg University) выяснили, что необычные законы квантовой физики допускают достаточно вольное трактование понятия температуры, так как квантовые частицы могут находиться сразу в нескольких квантовых состояниях, то облака из таких частиц могут иметь сразу несколько значений их температуры, т.е. быть одновременно и горячими, и холодными.
Окружающий нас воздух состоит из бесчисленного количества частиц, молекул, находящихся в постоянном хаотическом движении, известном под названием Броуновского движения. Никакие из существующих методов не позволяют отследить и описать траектории движения каждой частицы, да и в большинстве случаев в этом попросту нет необходимости. Термодинамические свойства газов могут быть определены, исходя из особенностей коллективного поведения молекул этого газа, которое определяется фундаментальными значениями его давления и температуры.
Такое статистическое представление термодинамических свойств газов и жидкостей, разработанное ученым-физиком Людвигом Больцманом, позволяет успешно описать поведение множества различных физических систем, начиная от воды, кипящей в кастрюле на печке, и заканчивая изменениями состояния жидких кристаллов в матрицах LCD-мониторов. Однако все это достаточно хорошо работает на уровне обычной физики, законы которой претерпевают кардинальные изменения или вовсе перестают работать на уровне квантовых систем любого масштаба.
Группа вышеупомянутых ученых, возглавляемая профессором Джергом Шмидмейером (Jorg Schmiedmayer), преуспела в изучении термодинамики физической системы, состоящей из множества квантовых частиц. Для этого они использовали специальный квантовый чип, который позволил им поймать в ловушку облако, состоящее из нескольких тысяч атомов. Затем это облако было охлаждено практически до температуры абсолютного нуля, до температуры, при которой квантовые свойства материи начинают проявляться с максимальной силой.
Когда некоторые условия среды в пределах чипа изменялись скачкообразным способом, квантовый газ приобретал несколько температур одновременно, он был в одно и тоже время и горячим, и холодным. Количество температур квантового газа могло быть разным, и оно зависело от точности управления квантовым состоянием атомов газа. «При помощи нашего чипа мы можем управлять с высокой точностью состоянием сложных квантовых систем. Кроме этого, чип позволяет измерить особенности поведения этих систем» — рассказывает Тим Лэнджен (Tim Langen), один из ученых, — «Теоретические вычисления и модели, предсказывающие подобные эффекты и поведение квантовых систем, были разработаны уже относительно давно. Но до последнего времени еще никому не удавалось наблюдать это воочию в условиях окружающей среды с регулируемыми условиями».
Проведенные эксперименты позволяют ученым понять некоторые тонкости законов квантовой физики и их не очень простые взаимоотношения с законами статистической термодинамики. Понимание этого всего очень важно для разработки и изучения различных квантовых систем, некоторые из которых, возможно, найдут практическое применение в науке и технике будущего. И, наконец, полученные учеными результаты проливают некоторый свет на то, как наш макроскопический мир, подчиняющийся законам классической физики, появляется из странного мира крошечных квантовых объектов.
