הפיזיקאים מגלים "עזיבה לכאורה מחוקי התרמודינמיקה"

חדשות מהעבר מהדורה עולמית עונה 2 - אלברט איינשטיין (יולי 2019).

Anonim

על פי חוקי היסוד של התרמודינמיקה, אם אתה משאיר פאי תפוחים חם בחלון חורף בסופו של דבר הפאי היה להתקרר לטמפרטורה זהה לאוויר שמסביב.

עבור כימאים ופיסיקאים, דגימות קירור של חלקיקים טעונים, המכונה גם יונים, עושה את זה יותר קל לשלוט וללמוד. אז הם משתמשים בגישה דומה המכונה גז חיץ קירור - כדי להקטין את הטמפרטורה של יונים על ידי השמנה אותם ולאחר מכן טבילה אותם עננים של אטומים קרים. התנגשויות עם האטומים מקררים את היונים המקוריים הראשונים על ידי העברת אנרגיה מהיוונים לאטומים - בדומה לפשטידה חמה שמתקררת ליד החלון הקר, אמר אריק הדסון, פרופסור לפיסיקה באוניברסיטת קליפורניה.

אבל מחקר חדש של הדסון וצוותו, שפורסם בכתב העת Nature Communications, מוכיח כי היונים לעולם אינם מתקררים לטמפרטורת הגז הסובב. כמו כן, באופן מפתיע מאוד, הם גילו כי בתנאים מסוימים, שתי טמפרטורות הסופי קיים, ואת הטמפרטורה כי היונים לבחור תלוי הטמפרטורה ההתחלה שלהם.

"העזיבה הזאת, לכאורה, מן החוקים המוכרים של התרמודינמיקה דומה לעוגת התפוחים החמה שלנו או לקירור כצפוי או להתפוצץ באופן ספונטני ללהבות, בהתאם לטמפרטורה המדויקת של העוגה כאשר היא ממוקמת בחלון", אמר הדסון, הסופר הבכיר של לימוד.

חוקרי ה- UCLA הציבו, בפעם הראשונה, מגבלות בסיסיות על השימוש בקירור של גז חיץ ב"מלכודות יונים ". כדי לבצע את הניסוי שלהם, החוקרים הכינו מדגם מיקרוסקופי של יונים מקורר לייזר של בריום אלמנט כימי ושקעו אותם בעננים של כ -3 מיליון אטומי סידן מקורר לייזר. החוקרים עושים מולקולות קרות מאוד תחת תנאים מבוקרים מאוד לחשוף את תכונות מכניות קוונטית כי הם בדרך כלל מוסתרים.

היונים נלכדו במנגנון המרחף חלקיקים טעונים באמצעות שדות חשמליים המתנדנדים מיליוני פעמים בשנייה, ומכניסים את היונים לאזור קטן יותר מאשר רוחב האדם. הן הדגימות האטומיות והן היוניות הובאו לטמפרטורות אולטרה-קרות - רק אלפית תואר מעל האפס המוחלט - באמצעות טכניקה שבה המומנטום של האור בלייזר משמש להאט תנועת חלקיקים.

לאחר שהתנגשו בין האטומים והיונים להתרחש והמערכת להגיע לטמפרטורה הסופית שלה, פיסיקאים הוציאו את אטומי הסידן ומדדו את הטמפרטורה של יון הבריום. התוצאות, אשר מראים את קיומו של מספר רב של טמפרטורות סופיות המבוססות על מספר יון וטמפרטורה ראשונית, מעידים על כך שאיזון עדין של שיווי המשקל פועל.

החוקרים עוקבים אחר תכונות מוזרות אלה לשיעורי החימום והקירור הקיימים במערכת - תלות הטמפרטורה המוזרה של האינטראקציה בין יונים מרובים במלכודת יונים. הן הסימולציה והן התיאוריה תומכות בממצאים הניסויים שלהן, ומציירות את תהליך קירור הגז-חיץ כתהליך יסודי, לא שיווי משקל, ולא בתהליך שיווי המשקל הפשוט שבו נתפס במקור.

כותב המחקר, סטיבן שוואלטר, חוקר סטודנט לתואר שני במעבדתו של הדסון, וכעת הוא מדען צוות במעבדה להנע סילוני של נאס"א, אמר: "התוצאות שלנו מוכיחות שאי אפשר פשוט לזרוק כל גז חיץ למכשיר - לא משנה כמה קר הוא - ואת מצפה שזה יעבוד כמו נוזל קירור יעיל. "

קירור גז חיץ הוא חיוני בתחומים החל פלילי כדי לייצור antimatter. קבוצת המחקר של הדסון גילתה ניואנסים חשובים המשנים את ההבנה הנוכחית של תהליך הקירור, מסבירים את הקשיים שנתקלו בניסויי קירור קודמים והראו נתיב חדש קדימה ליצירת דגימות יון קרות במיוחד. במסגרת זו הראו החוקרים כיצד ניתן להתגבר על ההשפעות המטרידות ואף לנצל את המנגנונים המבוצעים במנועים מולקולריים ומנועי חום אטומיים בודדים בצורה מבוקרת במדויק.

"כמובן, עבודה זו אינה מפרה את חוקי התרמודינמיקה, אך היא מדגימה שישנם עדיין כמה דברים מעניינים, שעשויים להיות שימושיים ללמוד על קירור גז חיץ", אמר ג'ון גילאספי, מנהל תוכנית פיסיקה בקרן הלאומית למדע, אשר מממן את המחקר. "זהו סוג של מחקר בסיסי שיכול באמת להנחות מגוון רחב של מאמצי מחקר יישומיים נוספים, לסייע למדענים ומהנדסים אחרים להימנע מלעבור שבילים ללא מוצא ולהאיר כיוונים פורייה יותר שהם עשויים לקחת".

menu
menu