Fizycy twierdzą, że każdy obiekt może mieć dwie różne temperatury jednocześnie

Zgodnie ze słynnym eksperymentem myślowym, zwanym Kotem Schrödingera, kot w pudełku może być zarówno żywy, jak i martwy w tym samym czasie. To dziwaczne zjawisko jest konsekwencją mechaniki kwantowej. Teraz fizycy z angielskiego Uniwersytetu w Exeter odkryli, że identyczny stan może istnieć dla temperatur – obiekty mogą mieć dwie różne temperatury jednocześnie na poziomie kwantowym. Paradoks ten jest pierwszą zupełnie nową relacją niepewności kwantowej, sformułowaną od dziesięcioleci.

 

W 1927 roku, niemiecki fizyk Werner Heisenberg postulował, że im dokładniej zmierzymy pozycję cząstek kwantowych, tym z mniejszą precyzją poznamy jej pęd, i na odwrót. Mówi o tym zasada nieoznaczoności Heisenberga. Tymczasem nowa niepewność kwantowa stwierdza, że im dokładniej poznamy temperaturę, tym mniej wiemy o energii, i vice versa. Ma to duże znaczenie dla nanonauki, która zajmuje się badaniami obiektów mniejszych od jednego nanometra. Zasada ta zmienia sposób, w jaki naukowcy mierzą temperaturę ekstremalnie małych obiektów, np. kropek kwantowych, małych półprzewodników czy pojedynczych komórek.

 

W latach 30. XX wieku, Heisenberg i duński fizyk Niels Bohr ustalili stosunek niepewności między energią i temperaturą w skali niekwantowej. Chodziło o to, że gdybyśmy chcieli poznać dokładną temperaturę danego obiektu, najlepszym i najbardziej precyzyjnym sposobem byłoby umieszczenie go w zbiorniku z konkretną temperaturą i przeczekanie, aż nastąpi równowaga termiczna.

Jednak taka równowaga termiczna jest utrzymywana przez obiekt, a zbiornik stale wymienia energię. Energia w obiekcie wzrasta i maleje nieskończenie wiele razy, co uniemożliwia precyzyjny pomiar. Z drugiej strony, próbując zmierzyć energię w obiekcie, należałoby go odizolować tak, aby nie stykał się i nie wymieniał energii z innymi obiektami, lecz wtedy nie moglibyśmy precyzyjnie zmierzyć temperatury z pomocą zbiornika. Sytuacja robi się jeszcze dziwniejsza w skali kwantowej.

 

Nawet jeśli zwykły termometr posiada energię, która nieznacznie rośnie lub spada, możemy ją zmierzyć w niewielkim zakresie. Lecz naukowcy z Uniwersytetu w Exeter ustalili, że na poziomie kwantowym, termometr byłby w superpozycji dwóch stanów jednocześnie. Harry Miller, jeden z fizyków, który brał udział w tych badaniach twierdzi, że termometr kwantowy nie posiada dobrze zdefiniowanej energii i znajduje się w kombinacji dwóch różnych stanów jednocześnie, co przyczynia się do niepewności w pomiarze temperatury.

 

W naszym świecie termometr pokaże nam przybliżoną temperaturę obiektu, lecz w świecie kwantowym, termometr wskaże na dwie różne temperatury w tym samym czasie. Opracowana przez naukowców nowa zasada nieoznaczności wyjaśnia tę dziwność kwantową.

 

Interakcje między obiektami w skali kwantowej mogą tworzyć superpozycje, a także wytwarzać energię. „Stara” relacja niepewności ignorowała te efekty, ponieważ nie ma znaczenia dla obiektów niekwantowych. Z kolei pomiar temperatury kropek kwantowych ma znaczenie, dlatego z pomocą przychodzi nam nowa relacja niepewności, która tworzy teoretyczne ramy do uwzględnienia tych interakcji. Odkrycie może pomóc naukowcom w projektowaniu eksperymentu do pomiaru zmian temperatury w obiektach w skali nano.