Физики обнаружили частицы, которые нарушают законы термодинамики

Согласно основным законам термодинамики, если вы берете теплый яблочный пирог из духовки и ставите его на подоконник, он в конце концов остывает до температуры окружающего воздуха. Однако физики обнаружили, что при определенных условиях заряженные частицы, называемые ионами, не следуют этой логике и в конечном итоге остывают до совершенно разных температур. Это все равно как если бы тот самый яблочный пирог сначала спокойно остывал, а потом вдруг вспыхивал и начинал гореть – вот такая разница в температурах имеется в виду.

Прежде чем наблюдать скрытые квантово-механические свойства частиц, физики часто охлаждают их, поскольку это замедляет их движения и делает наблюдение и контроль более удобными. Для охлаждения ионов ученые используют технику, называемую буферным охлаждением газа, которое позволяет эффективно «отлавливать» ионы и пропускать их через облака холодных атомов. Каждый раз, когда ионы сталкиваются с холодными атомами, энергия делится пополам, до тех пор, пока ионы и атомы не приобретут одинаковую температуру (как в случае с пирогом и окружающим воздухом). По крайней мере, так физики считали ранее, но на деле все оказалось сложнее.

Чтобы проверить поведение ионов в ионной ловушке, команда подготовила образцы охлажденных с помощью лазера ионов бария и атомов кальция. Их охладили до температуры всего лишь одной тысячной доли градуса выше абсолютного нуля. Исследователи позволили супер охлажденным ионам и атомам смешиваться и сталкиваться друг с другом в течение некоторого времени и затем измерили их температуру. Температура ионов оказалась совершенно различной.

Таким образом, при буферном охлаждении ионов невозможно достичь равновесной температуры, что стоит учитывать в разного рода экспериментах.