AUSTIN, Texas, May 21, 2010 – Прошел век после того, как Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) постулировал о невозможности определения мгновенной скорости частиц, совершающих броуновское движение, физик Mark Raizen и группа ученых доказала обратное. На опыте.
«Это первое экспериментальное наблюдение мгновенной скорости броуновской частицы, - сказал Mark Raizen, профессор техасского университета. – Это был постулат Эйнштейна, который не поддавался экспериментальной проверке в течение 100 лет. Эйнштейн предложил способ определить скорость частицы еще в 1907 году, но сам же и заявил, что пока этот эксперимент осуществить невозможно».
В 1907 году он не мог предвидеть появление «оптического пинцета». Результаты работы Mark Raizen, опубликованные в Science, - это первая экспериментальная проверка теоремы о равнораспределении. Также это шаг на пути к охлажденных частиц, которые, например, можно использовать для создания сенсорных устройств.
Теорема утверждает, что в состоянии теплового равновесия энергия распределяется равномерно между своими составляющими – средняя кинетическая энергия поступательного движения равна средней кинетической энергии вращательного движения частицы. В независимости от массы частицы или ее размеров.
Опыты Mark Raizen подтверждают эту теорему для частиц, размеры которых составляют 3 мкм в диаметре. Ученые же планируют поднять планку и заняться исследованием частиц наноразмерного масштаба.
«Мы зафиксировали мгновенную скорость броуновской частицы, - сказал Mark Raizen. – Но это небольшой шаг. Главное, что мы приближаемся к возможности исследовать заявленные в теореме о равнораспределении положения для квантово размерных частиц на практике».
При таких размерах частиц теорема терпит поражение и перед нами возникают новые задачи квантовой механики. Хотя теорема о равнораспределении делает очень точные предсказания при определённых условиях, она теряет применимость, когда квантовые эффекты начинают играть существенную роль. Равнораспределение действительно только тогда, когда тепловая энергия kBT намного больше, чем интервал между соседними квантовыми уровнями энергии, потому что в противном случае средние значения энергии и теплоёмкости, приходящиеся на определённые степени свободы, меньше, чем величины, полученные с использованием теоремы о равнораспределении. Говорят, что степень свободы выморожена, если тепловая энергия намного меньше, чем этот интервал. Например, теплоёмкость твёрдого тела уменьшается при низких температурах, поскольку различные типы движения становятся вымороженными, вместо того, чтобы остаться постоянными, как получается по теореме о равнораспределении. Такое уменьшение теплоёмкости было первым знаком физикам 19-ого столетия, что классическая физика теряет применимость при низкой температуре и новые законы должны быть сформулированы для объяснения этих различий. Наряду с другим противоречием, несостоятельностью закона равнораспределения для описания электромагнитного излучения — также известного как ультрафиолетовая катастрофа — привели Альберта Эйнштейна к идеи, что свет сам состоит из квантов (фотонов). Эта революционная гипотеза предвосхитила появление квантовой механики и квантовой теории поля.
Со-авторы Tongcang Li, Simon Kheifets and David Medellin of the Center for Nonlinear Dynamics and Department of Physics at The University of Texas at Austin.
