Вы можете ничего не смыслить в физике, но должны были слышать о мыслительном эксперименте Шредингера, где кошку помещают в коробку с радиоактивным элементом и она может быть одновременно живой и мертвой. Это странное явление, созданное квантовой механикой.
Недавно физики из Эксетерского университета (Англия) обнаружили, что подобное сходство просматривается и в температурах: объекты способны обладать двумя температурами на квантовом уровне. Этот странный квантовый парадокс – первое совершенно новое отношение квантовой неопределенности, которое сформулируют в течение десятилетий.
Другой принцип Гейзенберга
В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг выдвинул постулат: чем точнее вы измеряете положение квантовой частицы, тем менее точно поймете ее импульс и наоборот. Теперь это правило называют принципом неопределенности Гейзенберга.
Новая квантовая неопределенность, где чем точнее вы знаете температуру, тем меньше можете сказать об энергии и наоборот, обладает гораздо большими последствиями для нанонауки, изучающей невероятно крошечные объекты (меньше нанометра). Этот принцип изменит то, как ученые измеряют температуру крайне малых вещей, вроде квантовых точек.
В 1930-х гг. Гейзенберг и Нильс Бор установили связь неопределенности между энергией и температурой на неквантовой шкале. Идея заключалась в том, что если бы вы захотели узнать точную температуру объекта, то лучше было бы погрузить его в «резервуар» (ванна с водой или камера с воздухом) с известной температурой, позволяя телу медленно насыщаться этой температурой. Это именуют тепловым равновесием.
Это тепловое равновесие поддерживается объектом, пока резервуар постоянно обменивается энергией. В итоге, энергия в объекте движется вверх и вниз бесконечно малыми количествами, что делает невозможным точное определение. Если же вы хотите узнать точную энергию в объекте, то придется изолировать ее, чтобы она не могла контактировать ни с чем. Однако изоляция не позволит точно вычислить температуру с помощью резервуара. Эти ограничения делают температуру неопределенной, а при переходе к квантовой шкале краски сгущаются еще сильнее.
Новое отношение неопределенности
Даже если у типичного термометра есть энергия, которая слегка поднимается и опускается, она все еще определима в небольшом диапазоне. Но это не срабатывает на квантовом уровне, где все снова возвращается к знаменитой кошке Шредингера. Этот мысленный эксперимент предложил закрыть кошку в ящике с ядом, активированным распадом радиоактивной частицы. Согласно законам квантовой механики, частица может разложиться или не разрушаться одновременно. То есть, пока вы не откроете ящик, кошка будет одновременно жива и мертва. Это явление суперпозиции.
Исследователи использовали математику и теорию, чтобы точно предсказать, как суперпозиция влияет на вычисление температуры квантовых объектов. Выходит, что квантовый термометр будет находиться в суперпозиции энергетических состояний одновременно, что приводит к неопределенности температуры.
В нашем мире термометр может сообщить, что объект находится между 31 и 32 градусами по Фаренгейту. В квантовом случае термометр скажет, что объект одновременно наделен обеими температурами. Контакты между объектами в квантовой шкале способны создавать суперпозиции и энергию. Старое отношение неопределенности игнорировало эти эффекты, потому что они были неважны для неквантовых объектов. Теперь это важно, если вам нужно определить температурный показатель квантовой точки.