У отдельной частицы нет температуры, только энергия или скорость. И лишь когда возникают случайные распределения скоростей множества частиц, возникают температуры. Молекулы воздуха, летающие по комнате, могут принимать невообразимое количество состояний, значения которых распределяются неравномерно. В теории, всю энергию в заданном пространстве может получить единственная частица, тогда как остальные замрут, но это настолько маловероятно, что ученые никогда такого не наблюдали.

Вероятности различных допустимых состояний можно рассчитать по формуле, которую открыл австрийский физик Людвиг Больцман по правилам классической физики. Из этого распределения вероятностей можно вывести температуру для большого количества частиц. Однако в этом заключена проблема для квантовой физики: когда задействованы сразу множество квантовых частиц, уравнения становятся настолько сложными, что даже самые мощные суперкомпьютеры не могут их решить.

В квантовой физике частицы не могут рассматриваться отдельно друг от друга, как бильярдные шары. У них нет индивидуальности, они могут быть описаны только все вместе, в виде единой волновой функции.

«В квантовой физике вся система описывается одним крупным многочастичным квантовым состоянием, — сказал профессор Йоахим Бургдёрфер из Технологического университета Вены. — Долгое время оставалось загадкой, как из этого возникает случайное распределение и, следовательно, температура».

Команде исследователей удалось показать, что хаос играет в этом ключевую роль, пишет Science Daily. Они провели компьютерное моделирование квантовой системы, состоящей из большого количества частиц. Каждая отдельная квантовая волновая функция большой системы имеет определенную энергию, но не температуру — как и отдельная классическая частица. Но если выбрать одну частицу из единого квантового состояния и измерить ее скорость, можно с удивлением обнаружить распределение скоростей, которое соответствует температуре, которая соответствует хорошо известным законам термодинамики.

«Есть ли это соответствие или нет, зависит от хаоса — это и показали четко наши вычисления, — пояснила профессор Ива Брезинова. — Мы можем изменить взаимодействия между частицами на компьютере и создать либо полностью хаотичную систему, либо такую, в которой хаоса нет совсем — или нечто среднее». Таким образом, присутствие хаоса определяет, проявляет ли квантовое состояние частицы больцмановское распределение температур или нет.

О поведении обычной воды науке известно многое: она расширяется при замерзании, у нее высокая температура кипения. Но когда толщина воды уменьшается до одной-двух молекул, начинают возникать неожиданные нюансы. Ученые из Университета Кембриджа обнаружили, что двухмерный слой воды проявляет свойства не твердого и не жидкого тела, а также становится проводящим при высоком давлении.