Известная нам материя может находиться в 5 состояниях: твёрдом, жидком, газообразном, в состоянии плазмы, но самое, пожалуй, интересное и необычное – это конденсат Бозе-Эйнштейна, который впервые был получен искусственным путём в Объединённом институте лабораторной астрофизики (JILA) (относящемся к Университету штата Колорадо в Боулдере и Национальному институту стандартов) Эриком Корнеллом и Карлом Виманом. Учёные для его получения использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый почти до абсолютного нуля. Но для чего же потребовалась такая заморозка?
Когда физики пытаются охлаждать вещества до невероятно низких температур, то у материи начинают проявляться странные свойства, такие, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. При сверхпроводимости электрическое сопротивление тел отсутствует, а ток в сверхпроводящем кольце может течь вечно (если не вмешаться в этот процесс). Что это означает? Например, в наличии сверхпроводимости учёные подозревают даже кольца Сатурна, ведь в сверхпроводимости, вероятно, кроется ответ на вопрос о том, как они могут существовать миллионы лет в своём стабильном состоянии и не притягиваться могучей гравитацией родной планеты. Обладая невероятной силой отталкивания и собственным магнитным полем, на замороженные кольца не действует сила притяжения. Аналогичный опыт был продемонстрирован на Земле, когда охлаждённый сверхпроводник левитировал над магнитом, игнорируя его притяжение.
Атомы гелия, охлаждённые до температуры, близкой к абсолютному нулю (– 270, 95 С), и вовсе становятся сверхтекучими: они способны просачиваться через микроскопические щели. При нормальной температуре гелий не проявляет таких свойств. Получается, что при такой заморозке материи открывается окно в совершенно другой мир – в мир квантовой реальности, в которой твёрдые тела стремятся к сверхпроводимости, а жидкие – к сверхтекучести.
В начале ХХ века надежда понять, почему атомы могут не всегда вести себя как частицы, и иногда взаимодействуют, превращаясь в волны и ведут себя как единое целое, возлагалась на квантовую теорию. В 1925 году индийский физик Шатьендранат Бозе отправил статью Альберту Эйнштейну, в которой содержались его математические расчеты движения элементарных частиц. Осознав важность работы молодого учёного, Эйнштейн сделал ещё несколько важных дополнительных расчетов и предсказал, что при максимальном понижении температуры велика вероятность получения нового состояния вещества, которое будет подчиняться квантовым законам.
Это гипотетическое вещество и было названо конденсатом Бозе-Эйнштейна. 70 долгих лет учёные только могли мечтать о том, чтобы его получить. Как же он выглядит? Это нечто странное, и очень трудное для нашего понимания. При понижении температур атомы словно бы из точек превращаются в крошечные волны (именно поэтому у атомов гелия и получается проникать сквозь микроскопические отверстия в сосуде). Если охладить вещество почти до абсолютного нуля, чтобы создать конденсат Бозе-Эйнштейна, то эти волны будут накладываться друг на друга, и при этом наложении они больше не утрачивают свою идентичность. Наложенные друг на друга, они все делают одно и то же, а именно – находятся в состоянии покоя. И все эти атомы создают единую квантовую систему.
Таким образом, конденсат Бозе — Эйнштейна будет состоять из множества невзаимодействующих частиц, находящихся в одном состоянии. Примечательно, что также с понижением температуры все более будет проявляться волновая природа частиц. На выходе мы будем иметь одну квантово-механическую волну в макромасштабах.
Чтобы получить конденсат Бозе-Эйнштейна, нужно из металла сделать газ. Как правило, используются рубидий или натрий. Затем его охлаждают до критических температур всего на миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля, а потом надо постараться, чтобы он снова не затвердел. При охлаждении используется лазерный луч, который необходимо настроить на частоту движущихся атомов на определенной скорости. Когда поток частиц из лазера сталкивается с отдельными атомами, в газовом облаке, те начинают замедляться и охлаждаются. Для этого металлический газ помещают в магнитно-вакуумную ловушку, где движение атомов и будет постепенно замедляться при постоянном охлаждении. Самым быстрым частицам учёные позволяют беспрепятственно покинуть ловушку, а те, что остались, - наиболее холодные и медленные атомы, и будут составлять уникальный конденсат. В чём его эксклюзивность?
Все частицы конденсата, обладающие нулевой скоростью, неразличимы, имеют одинаковую массу, заряд, энергию и другие свойства. Они одновременно находятся в одном положении. Но зачем это нужно?
Так, из полученного конденсата можно создать атомный лазер, который способен фокусироваться с высочайшей точностью до одной миллионной миллиметра, а это поможет создавать сверхточные наноконструкции, и с его помощью можно настроить атомные часы. Такая технология полезна и в навигационных гироскопах и даже на производстве тепловых двигателей.
Так как конденсат Бозе — Эйнштейна был получен относительно недавно, сферы его применения еще точно не определены. Однако, по мнению различных ученых, конденсат может быть полезен во многих областях, начиная от медицинского оборудования и заканчивая квантовыми компьютерами.
#конденсат бозе-эйнштейна #физика #наука #научно-популярное
Вам может быть интересно:
Почему абсолютный ноль - это - 273, 15 С?
"Бог не играет в кости" и Принцип неопределённости Гейзенберга
Кто постареет быстрее, или знаменитый парадокс близнецов Теории относительности
Что скрывается за пределами видимой Вселенной?
"Хаббл" сфотографировал "кольцо Эйнштейна"
Лучи смерти: что за оружие придумал Никола Тесла?
Есть ли во Вселенной бозонные звёзды?
Пузырь Алькубьерре: реальность или только Star Trek?
Сколько измерений может иметь Вселенная?