Практически ни для кого не секрет, что самые точные часы - это атомные, однако за счет чего обеспечивается такая сверхточность? Это мы и попробуем прояснить в данной статье.
В атомной физике объектом исследования являются атомы, но вся проблема заключается в том, что в земных условиях атомы взаимодействуют друг с другом на околозвуковых скоростях, что несколько затрудняет их исследование. Значит, атомы надо замедлить, или, иными словами, охладить и чем сильнее, тем лучше. Идеальной температурой была бы равная абсолютному нулю (0 градусов по Кельвину, или -273,15 по Цельсию). Это позволило бы практически остановить атомы и провести анализ с беспрецедентной точностью измерений.
Одной из целей повышения точности атомарных измерений и является измерение времени. Принцип работы атомных часов основан на измерении колебаний атома. Именно по этим часам (самые точные из которых накапливают ошибку всего в 1 секунду за сотни миллионов лет!) уточняется время по всему миру.
Итак, изначально подстегиваемые желанием повысить точность атомных часов и в целом повысить точность атомарных измерений, ученые для охлаждения атомов стали ловить их в так называемые атомные ловушки, представляющие собой магнитные поля и лазерные лучи.
Это кажется чем-то невероятным, ведь по идее лазер - сфокусированный луч энергии, способный резать даже металлы! Каким же образом энергия лазера может охлаждать атомы, ведь, казалось бы, она, напротив, должна их нагревать?
Охлаждение атомов посредством лазера получило широкое применение в конце 80х и трое пионеров в области этих исследований удостоились Нобелевской премии. Когда атомы принимают фотон, они не имеют другого выбора, кроме как испустить его в виде флуоресценции. И если разница энергий между полученными фотонами и излученными будет отрицательной, то атом начнет охлаждаться. Иными словами, цвет поглощенного и излученного атомом света, при правильных манипуляциях, может немного отличаться и в этом отличии кроется потеря атомом энергии (температуры).
Что касается лазерного охлаждение, то ученые начали его осуществлять еще в 80-е годы, доводя температуру атомов до мили и микрокельвиновских (отклонение в одну миллионную от абсолютного 0) температур. Это тут же повысило точность атомных часов, однако за этим достижением крылся следующий вопрос: что будет, если охладить атомы до нанокельвиновских (отклонение всего в одну миллиардную от абсолютного 0) температур и как это сделать?
И технологией, решавшей данную проблему, стало охлаждение испарением!
Объяснить принцип охлаждения испарением куда проще, чем лазерное охлаждение, ведь данный процесс происходит в нашей обычной жизни, например когда горячая чашка кофе быстро охлаждается, то это осуществляется по нескольким причинам, одна из которых заключается в том, что наиболее быстрые молекулы воды покидают наше кофе в виде пара. И если наиболее энергичные молекулы покидают вещество, то остаются более медленные, то есть холодные. В этом и есть суть охлаждения испарением. Путем постепенного удаления энергичных молекул ученые научились охлаждать вещество до нанокельвиновских областей!
В 90х годах, несмотря на серьезные проблемы, удалось объединить два метода: лазерное охлаждение и охлаждение испарением. Это оказалось как нельзя стати, ведь оба эти метода работают в разных условиях. В частности лазерное охлаждение эффективно при низких плотностях вещества, так как иначе лазер абсорбируется веществом, в то же время для охлаждения испарением требуются постоянные столкновения атомов для поддержания системы в равновесии и постоянного продолжения процесса испарения.
Также ультрахолодные системы используются учеными для симуляции новых материалов. Ричард Фейнман считал, что одна квантовая система может быть сымитирована другой. Что же, если у вас есть некая система, которой сложно манипулировать и которую трудно исследовать, то можно ее изучать на примере аналогичной. Таким образом ученые хотят исследовать такие материалы и вещества, как высокотемпературные сверхпроводники, магнитные материалы, понять поведение заряженных частиц в высокоэнергетических магнитных полях. Есть еще масса форм материи, которые предстоит исследовать.