Почти 100 лет назад индийский физик Шатьендрант Бозе, с избыточным математическим уклоном, занимался статистикой распределения световых квантов (фотонов) и получил соответствующую формулу, которую отправил Эйнштейну.
Эта формула была похожа на формулу Планка, которую последний получил, исследуя излучение абсолютно черного тела. Это понравилось Эйнштейну он перевел статью Бозе и дал ей жизнь. Написал еще пару статей на эту тему и получилась концепция Бозе-газа, который как раз и управляется формулами, написанными Бозе и Эйнштейном. Как и положено в этих формулах присутствуют экспоненты, которые, как обычно, лезут куда-то в какие-то экстремальные области. Интегралы, которые расходятся или дают какие-то нелепые результаты. На это влияют и параметры формул. Один из них температура.
Все это требует необычных толкований и предположений. Эйнштейн предположил, что охлаждение бозонных атомов до очень низкой температуры приведёт к их падению (или «конденсации») в самое низкое доступное квантовое состояние, что приведёт к новой форме материи. Тем более что прецеденты уже есть. При нуле градусов Цельсия имеем лед, воду и пар.
К этому времени (предположению Эйнштейна) уже были сжижены все газы и открыто явление сверхпроводимости, но никакого конденсата пока никто не получил. В скорости было открыто явление сверхтекучести, а конденсата все нет. Наконец, за дело взялся Дэниел Клеппнер. Данные взяты из ролика "Конденсат Бозе-Эйнштейна.
Сначала группа Клеппнера пыталась создать конденсат Бозе-Эйнштейна в водороде, который им казался наиболее подходящим для такого эксперимента. Но оказалось, что все не так просто. Осадок не хотел выпадать, хотя и долго над ним мучились. Дело зашло в тупик.
Двое молодых ученых, Эрик Корнел и Карел Виман, переехали в другое место и решили сжижать не легкие элементы (водород и литий), а более тяжелые, такие как рубидий и цезий. Кроме этого они решили использовать для охлаждения лазерное излучение. Дело в том, что лазерные фотоны могут как придавать ускорение электронам, так и тормозить их. В первом случае ускоренный электрон излучит очередной фотон, ускорится и “прижмется” ближе к ядру. Атом просто уменьшится по размеру. Несмотря на то, что скорость электрона возросла, столкновения атомов уменьшатся и температура упадет.
Как видите данная проблема охлаждения решилась довольно успешно чисто интуитивно. Лазерное облучение охладило газ из-за того, что замедлило движение атомов. А вот при сжижении газов используется метод их расширения. При расширении газы вырываются из сопла с большой скоростью и благодаря этому охлаждаются. В чем дело? И то и другое верно, но трактовки этих явлений не полны. Надо бы для полной ясности добавить. В первом случае лазерные импульсы заставили электрон в атоме излучить соответствующий фотон из-за увеличения его скорости, и электрон прижался ближе к ядру и стал меньше толкаться с другими атомами. Это и сказалось на понижении температуры.
Следует помнить, что увеличение кинетической энергии электрона из-за увеличения его скорости значительно меньше, чем потери его внутренней энергии в виде фотона. И оказалось, что потеря температуры из-за потери внутренней энергии оказываются больше приращения температуры из-за увеличения кинетической энергии.
К сожалению, и этого охлаждения не хватало для получения конденсата. Горячие атомы носились над охлажденными атомами и разогревали своими толчками уже охлажденные атомы. Следовало горячие атомы убирать из сосуда. Для этой цели применили технику испарительного охлаждения. Она заключалась в том, что вокруг этого пара из быстрых (горячих) атомов создали соответствующее магнитное поле, так называемую магнитную ловушку, которое выталкивало быстрые атомы из сосуда.
Вот как описывает это явление ученый:
Посмотрите на этот кофе. Поднимающийся над кружкой пар – это самые горячие молекулы кофе, которые уносят вместе с собой более чем изрядную долю энергии. В случае с атомами мы удерживаем их в своеобразном магнитном сосуде. Запираем их там. Они носятся внутри пока не набирают достаточное количество энергии, чтобы выскочить из него, забирая при этом энергию у оставшихся внутри атомов. Соответственно у атомов внутри сосуда энергии становится все меньше и меньше. Они двигаются все медленнее и начинают скапливаться на самом дне. По мере того как это происходит мы постепенно опускаем границы магнитной ловушки, чтобы всегда хоть несколько атомов могли выскочить пока остальные атомы окончательно не соберутся на самом дне сосуда. Атомы становятся все холоднее и холоднее и все плотнее. И через некоторое время испарение создает конденсат Бозе-Эйнштейна.
Ничего не скажешь. Молодцы ребята. Но все-таки хотелось бы их рассуждения немножко дополнить. Возможно это позволит чуть точнее понять процессы, происходящие во время конденсации. Следует добавить, что атомы, покидающие ловушку, не только уносят часть кинетической энергии, но главное выбивают из оставшихся атомов значительно больше внутренней энергии. Часть этой энергии мы видим на измерительных приборах. В частности, термометр в виде термопары также охлаждается и фиксирует температуру охлаждаемых атомов. Но атомы измеряющего элемента, охлаждаются не прямо улетающими атомами, а именно фотонами, которые улетающие атомы выбили из остающихся атомов. То есть в этом случае остающиеся электроны выполняют функцию лазера для охлаждения термопары или какого-то рабочего тела.
Вскорости после этого Клеппнеру удалось получить и конденсат водорода. Но теорию этих процессов он объяснил при помощи корпускулярно-волнового дуализма и потерю частицами своей идентичности. Правда он осознает, что все это не понятно и говорит:
Физика больше не знает подобных явлений и человеку трудно это представить. Так что даже простые рассуждения вызывают у меня сомнения и растерянность.
На самом деле все просто:
В расширительных камерах мы путем ускорения атомов заставили их излучить определенное количество фотонов. В результате этого электрон атома потерял часть своего тела, увеличил свою скорость, быстрее завращался вокруг ядра и ближе к нему прижался. Атом уменьшился в объеме. Это примерно так как мы, снимая планеты солнечной системы, начиная с самой дальней, уменьшаем размер всей солнечной системы.
Дальше воздействуя на атом соответствующим потоком фотонов лазера мы начали снимать из электрона фотоны все большей энергии. Но получалось так, что выбитый из одного электрона фотон иногда оказывался тормозящим фотоном для другого электрона нашего вещества. И в конце концов наступало некоторое динамическое равновесие: количество охлажденных и горячих атомов не изменялось. Вещество дальше не охлаждалось.
Вот тут ребята и додумались изымать горячие атомы из системы при помощи магнитной ловушки. Холодные атомы перестали толкаться и образовали осадок, который и называется конденсат Бозе-Эйнштейна.
Если бы мы могли уменьшится до размеров атома, то мы бы увидели такую картину, в частности для водорода. Ядро и вокруг ядра волнообразно летают обменный фотон и возможно керн, небольшой кусочек в виде капельки электрического поля. Фотон, отраженный от ядра, попадает на керн и конденсируется на нем, как капля росы. Затем эта капелька (конечный электрон) начинает притягиваться к ядру, что заставляет его снова развернутся в обменный фотон. И данный цикл может длится бесконечно.
В результате мы получили атом предельного состояния с соответствующими свойствами:
1. Он на много меньших размеров, чем те, которые имел при обычной температуре. По этой причине конденсат обладает большой текучестью. Он может проникать даже между атомами кристаллической решетки. Это сверхтекучесть.
2. Поскольку атом, точнее его электрон, в предельном состоянии или, как принято в науке говорить – низкоэнергетическом квантовом состоянии, или основном состоянии,.то он не может поглощать никаких фотонов, кроме фотонов на один квант ниже по энергии, нежели энергия обменного фотона. А таких фотонов очень мало. Мы их с трудом выбивали при помощи лазера. Несомненно, они есть и в солнечном потоке, и в земном потоке, и могут получатся на атоме, как суммы менее энергоемких фотонов. На сайте N+1 в статье "Бозе-конденсат на МКС показал рекордное время свободного расширения” говорится, что время свободного расширения после выключения ловушки превысило секунду, а эффективная температура опустилась ниже нанокельвина .
Такой результат получить на земле сложнее, потому что земной поток фотонов непосредственно на земле содержит больше охлаждающих фотонов, в том числе и представленных гравитонами, чем на МКС. Собственных же горячих атомов для разогрева конденсата не хватает.
Таким образом, пока конденсат не разогреется, его электроны не могут поглощать фотоны электрического тока. И если через этот конденсат пропускать ток, то он будет проходить без потерь. Ни один из его фотонов не будет потерян. Это и есть сверхпроводимость.
3. Так как из атома почти исчез электрон, и он меньше экранирует положительное поле ядра, то атом оказывается в этом состоянии с большим положительным потенциалом, чем в обычном своем состоянии. Такой атом может с большим успехом “карабкаться” по стенкам сосуда. Появилась большая смачиваемость.
Примерно так видится явление конденсации вещества с квантовой точки зрения без привлечения корпускулярно-волнового дуализма, всяческого копирования частиц, нахождения их одновременно в различных местах и другой мистики.