Kvantosakeste pilvedel võib olla mitu temperatuuri üheaegselt

Temperatuur on väga kasulik kehade omadus. See võimaldab meil öelda midagi statistiliselt tabavat meie ümber ringi kihutavate osakeste energia kohta ilma et me teaksime, kuidas täpselt need osakesed liiguvad. Nüüd on Viini Tehnoloogiaülikooli ja Heidelbegi Ülikooli teadlased uurinud, kuidas toimub kvantosakeste pilve tasakaalulisse olekusse minek ja kas ka selliste süsteemide kohta saab kasutada statistilisi suurusi, nagu seda on temperatuur. Tulemus on üllatav – kvantosakeste pilvel võib olla korraga mitu temperatuuri. Selge see, et niisugune teadmine on samm edasi suurte kvantsüsteemide parema mõistmise teel.

Kõigi füüsikaliste või mittefüüsikaliste süsteemide (kaasaarvatud inimene) toimimine sõltub vähemal või rohkemal määral temperatuuriks kutsutavast füüsikalisest omadusest. Aga ega me tihti väga täpselt ei tea, misasi see temperatuur õigupoolest on, mida sellega mõõdetakse. Tihti ei ole ka väga suurt probleemi, kui vastusena öelda, et “temperatuur on see, mida termomeeter näitab”. Mõtlema hakkame alles siis, kui kaks termomeetrit näitavad erinevat temperatuuri … näiteks.

Arvatavasti tähtsaim asi, mida peaksime temperatuurist rääkides meeles pidama on see, et  gaasi absoluutse temperatuuriga on võrdeline gaasi molekulide keskmine kineetiline energiaga. Soojal suvepäeval liiguvad aatomid õhus ca 430 meetrit sekundis, talvel on see kiirus veidi väiksem. Aga see ei tähenda seda, et kõikide aatomite liikumise kiirus on selline, jutt käib liikumise keskmisest kiirusest.

Aga mis see on, kui me keskmist kiirust arvutame? Me vaikimisi eeldame, et kui me võtame kõigi osakeste kiirused, liidame need kokku ja jagame osakeste arvuga, siis saadud keskmine on osakeste kõige tõenäolisem kiirus, st umbes sellise kiirusega on kõige rohkem selle konkreetse osakeste ansambli liikmeid. Sellisele kiiruste või koordinaatide jaotusele vastab roosa kõver alumisel joonisel. Aga kui osakesed jaotuvad kiiruste  kaupa nii, nagu näitab must joon? Siis keskmine on ikka kusagil keskel, aga arvutatud keskmise kiirusega ei ole praktiliselt ühtki osakest. Selle asemel on osakesed laias laastus jagunenud kahe kiiruse väärtuse juurde. Ja meil ongi kahe temperatuuriga osakeste ansambel.

Viini teadlased tegelesid just selliste kvantosakeste ansamblitega. Selge see, et tegelikult on uuritud füüsika palju-palju keerulisem, detailirohkem.

Muide, mis te arvate, mida näitaks tavaline termomeeter, kui see sellise ansambli sisse pista?

Allikas:

http://phys.org/news/2015-04-cloud-quantum-particles-temperatures.html

http://www.sciencemag.org/content/348/6231/207.full