محققان ذراتی را کشف کردند که از قوانین ترمودینامیک پیروی نمی‌کنند

با توجه به قوانین اصلی ترمودینامیک، چنانچه یک شیرینی پای سیب داغ را از داخل فر برداشته و آن را مقابل پنجره بگذارید دمای آن رفته رفته کاهش یافته و در نهایت به دمای هوای اطراف خود می‌رسد.

با این حال فیزیکدان‌ها به تازگی کشف کرد که ذرات باردار (یون) در شرایط خاصی از این قانون پیروی نمی‌کنند. در واقع آنها پس از پایان فرآیند سرد شدن، به دو دمای کاملا متفاوت می‌رسند.

"اریک‌ هادسون" یکی از اعضای تیم بررسی دانشگاه کالیفرنیا، در این خصوص می‌گوید:

این تخلف آشکار از قوانین شناخته شده‌ی ترمودینامیک همانند آن است که کیک پای بسته به دمای اولیه‌ی آن حین قرار گرفتن مقابل پنجره، مطابق انتظار ما خنک شود یا شعله‌ور شود.

در فرآیند مشاهده‌ی خواص مکانیکی کوانتومی پنهان ذرات، فیزیکدان‌ها اغلب از روش سردسازی استفاده می‌کنند، سرد شدن ذرات جنبش و حرکت آنها را کندتر می‌کند و این موضوع امکان مشاهده و کنترل بهتری را فراهم می‌کند.

برای خنک کردن یون‌ها از تکنیکی به نام "سردسازی با کمک گاز بافر" استفاده می‌شود که به شکل موثری یون‌ها را در دام انداخته و در معرض ابری از اتم‌های سرد قرار می‌دهد.  

هر بار که یون‌ها با اتم‌های حاضر در ابر برخورد می‌کنند، انرژی، بین آن‌ها منتقل می‌شود. این روند تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که هر دو گروه اتم‌ها و یون‌ها به دمای خنک یکسان برسند. درست همان ماجرایی که درباره‌ی پای سیب فرضی صادق است. می‌توان گفت که رسیدن به یک دمای مشخص نتیجه‌ای بود که فیزیکدان‌ها انتظار داشتند. اما هادسون و تیم او، برای اولین بار، نشان دادند که واقعیت بسیار پیچیده‌تر و عجیب‌تر است!

برای بررسی رفتار یون‌های به دام افتاده، تیم تحقیقاتی نمونه‌ای از یون‌های باریم و اتم‌های کلسیم سرد شده با سرمایش لیزری را فراهم کردند. هر دو گروه اتم‌ها و یون‌ها تا حدود دمای یک هزارم کلوین بالاتر از صفر مطلق خنک شده بودند.

یون‌ها در ابری متشکل از سه میلیون اتم کلسیم فوق سرد شده غوطه‌ور بودند. نوسانات سریع میدان الکتریکی (میلیون‌ها بار در ثانیه) یون‌ها را مجبور می‌کرد که در موقعیتی باریک‌تر از عرض موی انسان شناور شوند.

محققان به یون‌ها و اتم‌ها این اجازه را دادند که مدت زمانی در حال برخورد با یکدیگر باشند و سپس شرایط دمایی آن‌ها را اندازه‌گیری کنند.

بر خلاف انتظار، به جای رسیدن به یک دمای نهایی برای یون‌ها، چندین دمای مختلف مشاهده شد. به نظر می‌رسید که این دماها بستگی به تعداد یون‌های موجود در لحظه‌ی سردسازی و درجه حرارت دقیق آن‌ها در هنگام شروع فرآیند داشته است.

نتایج نشان می‌دهد که خنک کردن به وسیله‌ی گاز بافر یک فرآیند به مراتب پیچیده‌تر از درک فیزیکدان‌ها است و قادر نیست تا دمای تعادلی مورد انتظار آنها را به وجود آورد.

از این رو، محققانی که در تلاش برای تولید یک ضد ماده با تکیه بر این روش هستند باید این تناقض را هم مد نظر قرار دهند.

استیون شوالتر از آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا و یکی از اعضای تیم تحقیقاتی می‌گوید:

نتایج نشان می‌دهد که نمی‌توان با استفاده از تزریق گاز بافر به داخل سیستم (فارغ از این که سیستم چقدر سرد است) انتظار عملکرد یک خنک‌کننده‌ی موثر را داشت.

در پایان شایان ذکر است که نتایج این پژوهش در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.