В мире, который мы видим вокруг, господствует энтропия — мера беспорядка. Все стремится к хаосу. Горячий кофе остывает, смешиваясь с воздухом. Песочный замок рассыпается под ветром. Ученые называют этот неизбежный процесс тепловым равновесием или термализацией. Добавьте энергии в систему — подбросьте дров в костер, толкните маятник — и процесс ускорится. Система нагреется, ее части начнут двигаться быстрее и хаотичнее, пока не выровняются. 

Это основа термодинамики, одна из самых надежных опор современной физики. Казалось бы, ничто не может избежать этой участи. Особенно в мире крошечных частиц, атомов, где хаос должен царствовать безраздельно. 

Однако в глубинах квантового мира, управляющего поведением материи на атомном уровне, таятся исключения. Физики десятилетиями обсуждали возможность существования особых состояний, где квантовые эффекты могут «заморозить» систему, не давая ей поглощать энергию и нагреваться, вопреки всем ожиданиям. Но доказать это экспериментально, да еще и в сложной системе множества взаимодействующих частиц, было невероятно сложной задачей.

Международная команда физиков под руководством Ханса-Кристофа Нэгерля (Hanns-Christoph Nagerl) из Инсбрукского университета в Австрии провела необычный эксперимент с одними из самых холодных объектов на планете. Исследователи собрали почти 100 тысяч атомов цезия (Cs) и охладили их с помощью лазеров и электромагнитных полей до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. При таких экстремальных условиях атомы перестают вести себя как классические частицы и полностью подчиняются законам квантовой механики.

Исследователи не просто охладили атомы. Они упорядочили их, создав конфигурацию, напоминающую тысячи невероятно тонких, одномерных «трубочек» (толщиной один атом), где атомы выстроились цепочками. 

Статья по теме: Квантовая энтропия, вероятно, зависит от наблюдателя

Затем началась самая необычная часть эксперимента. Ученые стали периодически «пинать» эту упорядоченную систему мощными импульсами лазера. Каждый импульс передавал атомам дополнительную порцию энергии. 

Исходя из законов физики, Нэгерль и его коллеги ожидали, что частицы начнут двигаться с самыми разными скоростями, сталкиваться, нагреваться. В конечном итоге, атомы должны были разрушить свою первоначальную упорядоченную структуру и прийти в состояние теплового равновесия — термализоваться. Но этого не произошло. 

Вместо хаотичного разлета и нагрева они, получив энергию, продолжали двигаться синхронно, словно «загипнотизированные». Их скорости оставались поразительно похожими. Система атомов словно «замерзла» в одном специфическом квантовом состоянии, упорно сопротивляясь попыткам ученых ее нагреть и разрушить порядок. 

Физики пробовали разные стратегии изменить систему: меняли силу лазерных «пинков», регулировали интенсивность взаимодействия между атомами. Результат оставался неизменным — атомы упрямо отказывались «термализоваться».

Статья по теме: Эксперимент с фотонами поставил под вопрос роль запутанности в квантовой физике

Этот феномен — способность квантовых систем сопротивляться термализации — не абсолютно новое понятие в физике. Теоретические дискуссии о таких возможных состояний ведутся с 1950-х годов. 

Например, ученые Э́нрико Ферми, Джон Паста, Станислав Улам и Мэри Цингу продемонстрировали в знаменитом численном эксперименте, что энергия в нелинейной системе (обладающей возможностью для обмена энергией), не разбегается по всей системе, а как будто застревает в паре конкретных «колебательных режимов» и даже периодически возвращается обратно, туда, откуда начала.

Физики давно спорили о том, при каких условиях возможно сопротивление квантовых систем термализации. Исследователи пытались проверить гипотезу экспериментально. 

В предыдущих опытах, в которых ученые также подвергали ультрахолодные атомы периодическому лазерному воздействию, атомы в итоге все-таки нагревались. Отличие в том, что тогда были использованы иные параметры — сила «пинков», характер взаимодействий — что, согласно теории, должно было способствовать термализации. В эксперименте же команды Нэгерля был подобран иной диапазон этих параметров.

Физик и его коллеги подобрали другой диапазон условий, что, похоже, не позволило нагреть атомы. Именно в этом, ранее не исследованном «уголке» параметрического пространства, физики и обнаружили ярко выраженный эффект «квантовой заморозки», который указывает на то, что исследователи, возможно, наткнулись на проявление совершенно новой физики.

Статья по теме: Физики превратили свет в квантовую «сверхтвердую» материю

Объяснить происходящее математически — задача весьма сложная. Физик-теоретик Адам Рансон (Adam Rançon) из Университета Лилля во Франции — он не участвовал в эксперименте — отметил, что расчеты для систем с множеством взаимодействующих частиц, подвергшихся периодическому воздействию, представляют собой «вычислительный кошмар. 

По словам ученого, существуют гипотезы, предполагающие, что при очень сильном взаимодействии квантовые состояния атомов могут «переплетаться» особым образом, формируя защищенное состояние, неспособное поглощать дополнительную энергию извне. Однако, по мнению Рансона, полная теоретическая картина этого процесса пока не сложилась.

Открытие международной команды физиков поможет в создании новых квантовых технологий. Долгоживущие квантовые состояния могут стать основой для сенсоров или устройств хранения информации. 

Сейчас команда Нэгерля бросает вызов одному из самых фундаментальных принципов — неумолимому росту энтропии и стремлению систем к хаосу. Демонстрация того, что сложная система из 100 тысяч взаимодействующих атомов может упорно сопротивляться термализации под действием внешней силы, открывает новую главу в понимании квантового мира. 

Исследователи уже планируют следующие шаги. Они хотят усложнить систему: сделать «трубочки» из атомов толще, позволить атомам перепрыгивать из одной трубки в другую. Главный вопрос: разрушит ли это наблюдаемую «квантовую заморозку» и заставит ли атомы наконец подчиниться энтропии? Ответ на него не только углубит знания ученых о квантовом мире. Он также, возможно, укажет путь к созданию революционно стабильных квантовых технологий будущего. В таких технологиях информация будет храниться не в хрупких кристаллах, а в самой «непокорной» природе атомов.

Результаты научной работы физиков представлены в статье, опубликованной в журнале Science.