บาคาร่า ของเล่นฟิสิกส์รุ่นเล็กกำลังเปิดเผยความลับของควอนตัม

นักวิจัยได้สร้างเปลของนิวตันรุ่นอะตอมเพื่อศึกษาสมดุลทาง บาคาร่า ความร้อนSANTA BARBARA, Calif. —ของเล่นง่ายๆ ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจรายละเอียดใหม่เกี่ยวกับกระบวนการควอนตัมลึกลับ

เสียงคลิกกระทบกันของลูกบอลโลหะในเปลของนิวตันสร้างความบันเทิงให้นักศึกษาฟิสิกส์มาอย่างยาวนาน ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างของเล่นขึ้นใหม่ในระดับอะตอม โดยใช้ของเล่นดังกล่าวเพื่อตรวจสอบว่าระบบควอนตัมเข้าถึงสภาวะสมดุลที่เรียกว่าสมดุลความร้อนได้อย่างไร

ทิ้งถ้วยกาแฟร้อนไว้บนเคาน์เตอร์ 

แล้วกาแฟจะค่อยๆ เย็นลงจนกว่าจะถึงสมดุลทางความร้อน ซึ่งตรงกับอุณหภูมิของห้อง กระบวนการที่เรียกว่าการทำให้เป็นความร้อนนั้นเป็นที่เข้าใจกันดีในระดับถ้วยกาแฟ แต่ในระดับควอนตัม การทำให้เป็นความร้อนจะขุ่นมัว

นักฟิสิกส์ Benjamin Lev จาก Stanford University ซึ่งนำเสนอผลงานในวันที่ 26 มิถุนายนที่การ ประชุม Quantum Thermodynamicsที่ Kavli Institute for Theoretical Physics ที่ University of California, Santa Barbara กล่าวว่า “นี่เป็นสาขาฟิสิกส์ที่เราไม่เข้าใจพื้นฐาน. การขาดความเข้าใจในกระบวนการพื้นฐานดังกล่าวหมายความว่า “นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องตรวจสอบ” เลฟกล่าว ดังนั้นเขาและเพื่อนร่วมงานจึงศึกษาว่าการนำความโกลาหลมาสู่แหล่งกำเนิดของควอนตัมนิวตันช่วยปูทางไปสู่การทำให้เป็นความร้อนได้อย่างไร

เปลของนิวตันประกอบด้วยทรงกลมโลหะห้อยห้อยเป็นแถว ดึงลูกบอลหนึ่งลูกจากด้านท้ายแล้วปล่อยให้มันถอยกลับไปชนเพื่อนบ้าน และลูกบอลที่ปลายอีกข้างหนึ่งจะโผล่ออกมาก่อนที่จะเหวี่ยงกลับและทำขั้นตอนซ้ำ การเคลื่อนไหวซ้ำๆ เป็นประจำนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าการเสียดสีจะทำให้การแกว่งของลูกบอลช้าลง

รุ่นควอนตัมแทนที่ทรงกลมเหล่านั้นด้วยแถวของอะตอมที่เย็นเยือกและติดเลเซอร์ เลฟและคณะได้สร้างอาร์เรย์ของประคองควอนตัมนิวตันประมาณ 700 ตัว แต่ละอันประกอบด้วยอะตอมของธาตุดิสโพรเซียมประมาณ 50 อะตอม และเตะพวกมันให้เคลื่อนที่ด้วยเลเซอร์

เพื่อให้เปลของนิวตันควอนตัมกลายเป็นความร้อน อะตอมทั้งหมดจะต้องเคลื่อนที่แบบสุ่ม 

คล้ายกับโมเลกุลที่กระตุกในถ้วยกาแฟ – แทนที่จะเป็นรูปแบบไปมาปกติ เพื่อให้บรรลุการสุ่มดังกล่าว Lev และเพื่อนร่วมงานใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าอะตอมของดิสโพรเซียมเป็นแม่เหล็ก นอกเหนือจากการชนกัน อะตอมยังดึงกันและกันด้วยสนามแม่เหล็ก การโต้ตอบเพิ่มเติมนั้นทำให้เกิดความโกลาหลที่รบกวนการเคลื่อนไหวของอะตอม ( SN Online: 9/16/13 )

โดยการเปลี่ยนการวางแนวของขั้วแม่เหล็กของอะตอม Lev และเพื่อนร่วมงานได้ปรับความแรงของปฏิกิริยาแม่เหล็กและศึกษาวิธีที่ระบบเข้าใกล้สมดุล ในตอนแรกอะตอมมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วไปสู่สภาวะสมดุลทางความร้อนจากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นการเคลื่อนตัวที่ช้ากว่า Lev และเพื่อนร่วมงานรายงานในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 2 พฤษภาคมในPhysical Review X

ผลลัพธ์ที่ได้อาจมีความสำคัญสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ ขนาดเล็กพิเศษ ( SN: 3/19/16, p. 18 ) และคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งสามารถทำการคำนวณอย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้กลศาสตร์ควอนตัม ( SN: 7/8/17, p. 28 ) นักฟิสิกส์ Jörg Schmiedmayer จาก Technische Universität Wien ในออสเตรีย ผู้ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยกล่าวว่า หากคุณต้องการมีคอมพิวเตอร์ควอนตัม คอมพิวเตอร์นั้นจะอยู่ห่างไกลจากสมดุลมาก นั่นเป็นเพราะว่าในสภาวะสมดุล ข้อมูลจะสูญหายไปเนื่องจากการแย่งชิงคุณสมบัติของอนุภาค

ดังนั้นการทำความเข้าใจว่าระบบควอนตัมเข้าถึงสมดุลได้อย่างไรจึงเป็นหัวข้อการศึกษาที่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว “ในอีก 20 ปี … เราจะมีความเข้าใจที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ของระบบควอนตัม” Schmiedmayer กล่าว

นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นฝันถึงรถไฟที่ขับเคลื่อนด้วยจรวดรถไฟในอนาคต ในความเห็นของ [Hisanojo] Ozawa ทั้งหมดจะใช้จรวดและวิ่งทับลูกกลิ้งแทนราง…. รถรุ่นต่อไปของเขาจะติดตั้งเครื่องยนต์จรวดสามเครื่องและตั้งเป้าที่ความเร็ว 1,180 กิโลเมตรต่อชั่วโมงหรือ 0.996 มัค —  ข่าววิทยาศาสตร์ ,  6 กรกฎาคม 2511.

รถไฟจำลองที่ขับเคลื่อนด้วยจรวดจากโอซาวะ ซึ่งออกแบบเครื่องบินสำหรับกองทัพอากาศจักรวรรดิญี่ปุ่น พุ่งทะลุ 920 กิโลเมตรต่อชั่วโมงบนเส้นทาง 300 เมตรในปี 1968 แต่รถไฟในโลกแห่งความเป็นจริงไม่มีความเร็วใกล้เคียงกัน อาจเป็นเพราะไม่มีใครใช้จรวด รถไฟ maglev ของญี่ปุ่น ซึ่งลอยได้ด้วยแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดทะลุ 600 กม./ชม. ในการทดสอบวิ่งปี 2015 ซึ่งทำให้รถไฟเหล่านี้เป็นรถไฟที่ เร็วที่สุดในโลก ผู้โดยสารต้องรอจนกว่าจะถึงปี 2027 ในสหรัฐอเมริกา Acela Express ของ Amtrak ทำความเร็วได้ค่อนข้างช้า 240 กม./ชม. แต่เส้นทางจากลอสแองเจลิสไปซานฟรานซิสโกสำหรับรถไฟที่วิ่งด้วยความเร็วสูงสุดประมาณ 350 กม./ชม. อยู่ระหว่างการก่อสร้างและมีแผนจะให้บริการรถไฟแม็กเลฟระหว่างนิวยอร์กซิตี้และวอชิงตัน ดีซีได้รับเงินทุนจากรัฐบาลกลางบางส่วนในปี 2558 บาคาร่า