Квантовый газ без сопротивления: эксперимент, в котором движение не теряет энергию

Современная физика переноса описывает, как масса, энергия или заряд перемещаются в пространстве — от течения жидкости и теплопроводности до электрического тока в металлах. Во всех привычных материалах этот процесс сопровождается сопротивлением: столкновения частиц, трение и взаимодействия с окружающей средой неизбежно приводят к потерям энергии и постепенному затуханию движения. Однако в строго контролируемых квантовых системах возможны режимы, в которых эти интуитивные законы перестают работать.

Исследователи из Венского технического университета продемонстрировали такой режим, создав одномерный квантовый «провод» на основе ультрахолодного газа атомов рубидия. Тысячи атомов были зажаты в узком канале при помощи магнитных и оптических полей так, что их движение оказалось возможным только вдоль одной линии. При экстремально низких температурах система перешла в квантовый режим, в котором перенос массы и энергии происходит без трения и без каких-либо наблюдаемых потерь.

Ключевой результат эксперимента заключается в том, что даже при огромном числе столкновений между атомами поток не ослабляется. В классической физике именно столкновения являются главным механизмом сопротивления и диффузии, но в этом случае они не приводят к рассеянию. Напротив, движение сохраняется, а перенос ведёт себя так, словно система является идеальным проводником для массы и энергии.

Для описания таких процессов в физике различают два принципиально разных типа переноса: баллистический и диффузионный. Баллистический перенос характерен для частиц, которые движутся свободно и сохраняют направление и скорость, так что пройденное расстояние линейно зависит от времени. Диффузионный перенос, напротив, возникает при множественных случайных столкновениях и приводит к более медленному, нелинейному распространению, типичному для теплопроводности и вязкого течения. В обычных условиях именно диффузия доминирует в макроскопических системах.

В созданном квантовом газе диффузионный механизм оказался практически полностью подавленным. Столкновения между атомами не уничтожают импульс, а лишь передают его дальше по цепочке частиц. В результате импульс и энергия не рассеиваются в системе, а распространяются на большие расстояния без затухания. Это поведение можно наглядно сравнить с маятником Ньютона, где удар одного шарика передаётся через всю цепочку, не приводя к хаотическому движению промежуточных элементов.

Физическая причина этого эффекта заключается в строгой одномерности системы и квантовойприроде взаимодействий. Атомы не могут отклоняться в стороны, а их импульсы подчиняются законам сохранения, которые в таких условиях приобретают особую форму. Вместо привычной термализации, при которой энергия перераспределяется и система стремится к равновесию, возникает состояние с долговременной памятью о начальном движении.

Этот результат имеет фундаментальное значение для понимания того, как и почему возникает сопротивление в квантовых системах. Эксперимент показывает, что сопротивление не является неизбежным следствием столкновений как таковых, а зависит от геометрии, размерности и квантовых свойств среды. В идеальных условиях возможен перенос, полностью исключающий диссипацию энергии.

Подобные исследования открывают новые перспективы для квантовой физики конденсированного состояния, моделирования низкоразмерных систем и изучения пределов применимости термодинамики. Они также создают экспериментальную платформу для проверки теоретических моделей квантового транспорта, которые могут оказаться важными для будущих технологий — от квантовых симуляторов до принципиально новых типов проводников, работающих без потерь энергии.