Физики заставили 10 000 частиц нарушить третий закон Ньютона на целый час

Физики из Университета Дьюка и Венского технического университета впервые продемонстрировали, как ансамбль из 10 000 частиц может нарушать третий закон Ньютона в течение часа. Это открытие проливает свет на необычные состояния материи и может привести к новым технологиям в квантовых вычислениях и материаловедении.

Физики из Университета Дьюка и Венского технического университета совершили прорыв, заставив ансамбль из 10 000 частиц нарушать третий закон Ньютона в течение целого часа. Это достижение, опубликованное в журнале Physical Review Letters, открывает новые горизонты в понимании необычных состояний материи и может привести к созданию инновационных технологий.

Третий закон Ньютона гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Однако в квантовом мире, где действуют законы квантовой механики, этот принцип может нарушаться. Ученые использовали ультрахолодные атомы рубидия, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю, и поместили их в оптическую решетку, созданную лазерными лучами.

Как физикам удалось нарушить третий закон Ньютона

Ключевым элементом эксперимента стало использование так называемых «связанных состояний в континууме» — квантового явления, при котором частицы могут находиться в связанном состоянии, даже если их энергия превышает энергию потенциального барьера. Это позволяет частицам взаимодействовать друг с другом без обмена импульсом, что и приводит к нарушению третьего закона.

Исследователи создали систему, в которой 10 000 атомов рубидия были захвачены в оптическую решетку и охлаждены до температуры около 100 нанокельвинов. Затем они применили лазерные импульсы, чтобы возбудить атомы в состояние, где они начинают двигаться коллективно, как единое целое. В этом состоянии атомы демонстрируют так называемое «хиральное» поведение, при котором их движение не подчиняется закону действия и противодействия.

Эксперимент длился целый час, что является значительным достижением, так как обычно такие квантовые состояния разрушаются за миллисекунды. Ученые объясняют это тем, что оптическая решетка создает стабильную среду, которая защищает систему от внешних возмущений.

Предыстория и контекст

Идея нарушения третьего закона Ньютона в квантовых системах обсуждалась теоретически еще в 1970-х годах, но только сейчас технология достигла уровня, позволяющего провести такой эксперимент. Предыдущие попытки были ограничены короткими временными интервалами и малым числом частиц.

Этот эксперимент является частью более широкого направления исследований в области квантовой физики, которое изучает так называемые «неэрмитовы» системы. В таких системах энергия не сохраняется, что приводит к необычным явлениям, включая нарушение симметрии и невзаимные взаимодействия. Понимание этих процессов может помочь в разработке квантовых компьютеров, где информация хранится в квантовых состояниях частиц, и в создании сверхточных сенсоров.

Что это значит для квантовой физики?

Нарушение третьего закона Ньютона означает, что в определенных квантовых условиях частицы могут действовать друг на друга без равного противодействия. Это не противоречит законам сохранения, так как в квантовой механике импульс может быть передан через квантовое поле, а не напрямую между частицами. Это открывает возможность для создания «квантовых двигателей» и других устройств, которые используют такие невзаимные взаимодействия для достижения новых функциональных возможностей.

Технические детали эксперимента

В эксперименте использовалась оптическая решетка, созданная пересекающимися лазерными лучами, которая формирует периодический потенциал для атомов. Атомы рубидия были охлаждены до сверхнизких температур с помощью лазерного охлаждения и испарительного охлаждения. Затем система была подвергнута воздействию радиочастотных импульсов, которые перевели атомы в состояние с хиральной симметрией.

Измерения показали, что атомы демонстрируют коллективное движение, при котором они вращаются вокруг центра решетки, но не испытывают равного противодействия. Это было подтверждено с помощью методов флуоресцентной визуализации, которые позволяют отслеживать положение атомов с высокой точностью.

Кого затронет это открытие

Это открытие имеет значение для физиков, изучающих квантовые системы, а также для разработчиков квантовых технологий. Оно может привести к созданию новых типов квантовых симуляторов, которые смогут моделировать сложные квантовые явления, недоступные для классических компьютеров. В более долгосрочной перспективе это может повлиять на разработку квантовых компьютеров, которые используют квантовую запутанность для вычислений, а также на создание сверхчувствительных датчиков гравитации и магнитных полей.

Для российских и постсоветских исследователей это открытие также представляет интерес, так как оно открывает новые направления в квантовой физике, которые могут быть изучены в рамках международных коллабораций.

Что будет дальше

Исследователи планируют продолжить эксперименты, чтобы изучить, как нарушение третьего закона Ньютона влияет на квантовую запутанность и когерентность. Они также надеются увеличить число частиц и продлить время эксперимента, чтобы проверить, сохраняется ли эффект в более крупных системах.

В будущем это может привести к созданию квантовых устройств, которые используют невзаимные взаимодействия для управления информацией. Это может революционизировать область квантовых технологий, сделав их более эффективными и мощными.

Итог

Эксперимент, в котором 10 000 частиц нарушили третий закон Ньютона в течение часа, является важным шагом в понимании квантовой механики. Он демонстрирует, что в квантовом мире возможны явления, которые кажутся невозможными с точки зрения классической физики. Это открытие не только расширяет фундаментальные знания, но и открывает практические перспективы для разработки новых технологий. Следите за развитием этой темы — впереди еще много интересного.