Биографы в большинстве своём игнорируют последние 30 лет жизни Эйнштейна, рассматривая их как нечто неловкое, недостойное гения, как пятно на его во всём остальном кристально чистой истории. Однако научный прогресс последних десятилетий позволил нам совершенно по-новому взглянуть на наследие Эйнштейна. Дело в том, что его работа была настолько фундаментальной, так перевернула само основание человеческого знания, что влияние Эйнштейна до сих пор ощущается в физике. Многие семена, посеянные Эйнштейном, прорастают только сейчас, в XXI веке, прежде всего потому, что наши инструменты - космические телескопы, рентгеновские космические обсерватории, лазеры - стали достаточно мощными и чувствительными, чтобы проверить самые разные его предсказания, сделанные несколько десятилетий назад.
Можно утверждать, что крошки со стола Эйнштейна помогают сегодня учёным выиграть Нобелевскую премию. Более того, с появлением теории суперструн эйнштейнова концепция обобщения всех сил, служившая когда-то объектом осмеяния и пренебрежительных комментариев, в наше время выходит на центральное место в мире теоретической физики. В этой главе обсуждаются новые достижения в трёх областях, где наследие Эйнштейна продолжает жить и править миром физики: это квантовая теория, общая теория относительности и космология, а также единая теория поля.
В 1924 году, когда Эйнштейн только написал работу по конденсату Бозе - Эйнштейна, он не думал, что это занятное явление будет обнаружено в сколько-нибудь обозримом будущем. Ведь для того чтобы все квантовые состояния коллапсировали в гигантский суператом, необходимо было охладить материалы почти до абсолютного нуля.
В 1995 году, однако, Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологии и Карл Виман из Университета Колорадо сделали именно это, получив чистый конденсат Бозе - Эйнштейна из 2000 атомов рубидия при температуре на двадцать миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Кроме того, Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института независимо от них тоже получил конденсат Бозе - Эйнштейна, в котором было достаточно атомов натрия, чтобы проводить на нём важные эксперименты. Он доказал, что эти атомы демонстрируют интерференционную картину, соответствующую состоянию, когда атомы скоординированы друг с другом. Иными словами, они вели себя как суператом, предсказанный Эйнштейном более 70 лет назад.
Практическое применение конденсата Бозе - Эйнштейна ещё впереди, пока идёт лишь процесс осознания
После первоначального объявления открытия в этой быстро развивающейся области посыпались как из рога изобилия. В 1997 году в МТИ Кеттерле с коллегами создали первый в мире «атомный лазер» с использованием бозе-эйнштейновского конденсата. Как известно, удивительные свойства лазерному свету придает то, что фотоны движутся в унисон друг с другом, тогда как обычный свет хаотичен и некогерентен. Поскольку вещество тоже обладает волновыми свойствами, рассуждали физики, поток атомов можно сделать когерентным; однако прогресс в этом направлении стопорился из-за отсутствия бозе-эйнштейновского конденсата. Теперь же физики достигли своей цели тем, что сначала охладили набор атомов и превратили их в конденсат, а затем направили на этот конденсат лазерный луч, который выстроил из атомов синхронизированный пучок.
В 2001 году Корнелл, Виман и Кеттерле были удостоены Нобелевской премии по физике. Нобелевский комитет наградил их «за экспериментальное наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах атомов щелочных металлов и за первые фундаментальные исследования свойств таких конденсатов». Практическое применение конденсата Бозе - Эйнштейна ещё впереди, пока идёт лишь процесс осознания. Лучи атомных лазеров могли бы оказаться в будущем ценным инструментом в применении к нанотехнологиям. Возможно, они позволят манипулировать отдельными атомами и создавать слои атомных плёнок для полупроводников в компьютерах будущего.
Помимо атомных лазеров некоторые учёные говорят о построении квантовых компьютеров (компьютеров, вычисляющих при помощи отдельных атомов) на основе бозе-эйнштейновского конденсата, которые со временем могли бы заменить обычные кремниевые компьютеры. Другие говорят о том, что скрытая масса, или тёмная материя, может отчасти состоять из бозе-эйнштейновского конденсата. Если это так, то именно в этом странном состоянии может находиться бо́льшая часть вещества Вселенной.
Кроме того, деятельность Эйнштейна вынудила квантовых физиков заново обдумать свою преданность первоначальной копенгагенской интерпретации этой теории. Ещё в 1930–1940-е годы, когда квантовые физики радостно хихикали за спиной Эйнштейна, игнорировать этого гиганта современной физики было совсем несложно, ведь значительные открытия в квантовой физике делались едва ли не ежедневно. Кто готов был тратить время на проверку фундаментальных положений квантовой теории, когда физики спешили собирать Нобелевские премии как яблоки с ветки? Проводились сотни расчётов по свойствам металлов, полупроводников, жидкостей, кристаллов и других материалов, результаты которых легко могли привести к созданию целых промышленных отраслей. На остальное просто не было времени. Вследствие этого физики десятилетиями просто привыкали к интерпретациям копенгагенской школы, «заметая под ковёр» не имеющие ответа глубокие философские вопросы. Споры Бора с Эйнштейном были забыты. Однако сегодня, когда на многие «простые» вопросы о веществе получены чёткие ответы, гораздо более сложные вопросы, поднятые Эйнштейном, по-прежнему остаются без ответа. В частности, по всему миру проводятся десятки международных конференций, на которых физики заново рассматривают проблему кота Шрёдингера, упомянутую в 7-й главе. Теперь, когда экспериментаторы научились манипулировать отдельными атомами, проблема кота перестала носить чисто академический характер. Более того, от её решения может зависеть конечная судьба компьютерных технологий, которыми определяется значительная доля мирового богатства, поскольку компьютеры будущего, возможно, будут работать на транзисторах, построенных из отдельных атомов.
Мы живём по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись
Сегодня признаётся, что из всех альтернативных вариантов копенгагенская школа Бора предлагает наименее привлекательный ответ на проблему кота, хотя до сих пор никаких экспериментальных отклонений от первоначальной боровской интерпретации не обнаружено. Копенгагенская школа постулирует существование «стены», отделяющей повседневный макроскопический мир деревьев, гор и людей, который мы видим вокруг себя, от загадочного контринтуитивного микроскопического мира квантов и волн. В микроскопическом мире элементарные частицы существуют в промежуточном состоянии между бытием и небытием. Однако мы живём по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись, поэтому наша макроскопическая вселенная кажется нам стабильной и вполне определённой. Иными словами, наблюдателя от наблюдаемого объекта отделяет стена.
Некоторые физики, включая нобелевского лауреата Юджина Вигнера, пошли ещё дальше. Ключевой элемент наблюдения, подчёркивал Вигнер, - это сознание. Чтобы провести наблюдение и определить реальность кота, необходим наделённый сознанием наблюдатель. Но кто наблюдает за наблюдателем? Наблюдателю тоже необходим свой наблюдатель (именуемый «другом Вигнера»), который определил бы, что наблюдатель жив. Но это подразумевает существование бесконечной цепочки наблюдателей, каждый из которых наблюдает за соседом и определяет, что предыдущий наблюдатель жив и здоров. Для Вигнера это означало, что где-то существует, возможно, некое космическое сознание, определяющее природу самой Вселенной! Он писал: «Само изучение внешнего мира привело к выводу о том, что содержимое сознания и есть конечная реальность». Кое-кто утверждал в связи с этим, что это доказывает существование Бога, некоего космического сознания, или то, что сама Вселенная каким-то образом обладает сознанием. Как сказал однажды Планк, «наука не в состоянии разрешить конечную загадку Природы. А всё потому, что в конечном итоге мы сами являемся частью загадки, которую пытаемся разрешить».
За прошедшие десятилетия были предложены и другие интерпретации. В 1957 году Хью Эверетт, в то время аспирант физика Джона Уилера, предложил, возможно, самое радикальное решение проблемы кота - «многомировую» теорию, согласно которой все возможные вселенные существуют одновременно. Кот в самом деле может быть мёртвым и живым одновременно, потому что сама Вселенная расщепилась надвое. Следствия из этой идеи, откровенно говоря, неуютны, поскольку при этом подразумевается, что Вселенная постоянно, каждое квантовое мгновение раздваивается, образуя бесконечное число квантовых вселенных. Сам Уилер, поначалу горячо поддержавший идею своего студента, позже отказался от неё, заявив, что с таким подходом связано слишком много «метафизического багажа». Представьте, к примеру, космический луч, пронзающий в подходящий момент чрево матери Уинстона Черчилля и вызывающий выкидыш. Таким образом, одно квантовое событие отделяет нас от вселенной, в которой Черчилль, способный поднять народ Англии и всего мира на борьбу с убийственными силами Адольфа Гитлера, попросту не родился. В той параллельной вселенной нацисты, возможно, выиграли Вторую мировую войну и поработили значительную часть мира. Или представьте себе мир, где солнечный ветер, запускаемый квантовыми событиями, сбил с пути ту комету или метеорит, который 65 млн лет назад угодил в мексиканский полуостров Юкатан и стёр с лица Земли динозавров. В той параллельной вселенной человек не появился вовсе и Манхэттен, где я сейчас живу, населен неистовыми динозаврами.
Квантовая механика , представляющая собой один из важнейших разделов современной теоретической физики, была создана сравнительно недавно - в 20-х годах нашего столетия.
Ее основной задачей является изучение поведения микрочастиц, например электронов в атоме, молекуле, твердом теле, электромагнитных полях и т. д.
В истории развития каждого раздела теоретической физики следует различать несколько этапов: во-первых, накопление экспериментальных фактов, которые нельзя было объяснить с помощью существующих теорий, во-вторых, открытие отдельных полуэмпирических законов и создание предварительных гипотез и теорий и, в-третьих, создание общих теорий, позволяющих с единой точки зрения понять совокупность многих явлений.
По мере того как с помощью теории Максвелла-Лоренца объяснялось все большее число явлений микромира (проблема излучения, распространения света, дисперсия света в средах. движение электронов в электрическом и магнитном полях и т.д.). постепенно стали накапливаться и такие экспериментальные факты, которые не укладывались в рамки классических представлений.
При этом для построения теории равновесного электромагнитного излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона необходимо было ввести предположение о том, что свет наряду с волновыми должен обладать также и корпускулярными свойствами. Это было учтено в теории квантов Планка-Эйнштейна. Дискретная структура света нашла свое описание с помощью введения постоянной Планка h=6,62*IO" 27 эрг-сек. Теория квантов была с успехом также использована при построении первой квантовой теории атома-теории Бора, которая опиралась на планетарную модель атома, следовавшую из опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц различными веществами. С другой стороны, целый ряд экспериментальных данных, таких, как дифракция, интерференция пучка электронов, говорили нам о том, что электроны наряду с корпускулярными проявляют также и волновые свойства
Первым обобщающим результатом тщательного анализа всех предварительных теорий, а также экспериментальных данных, подтверждающих как квантовую природу света, так и волновые свойства электронов, явилось волновое уравнение Шредингера (1926), позволившее вскрыть законы движения электронов и других атомных частиц и построить после открытия вторичного квантования уравнений Максвелла-Лоренца сравнительно последовательную теорию излучения с учетом квантовой природы света. С появлением уравнения Шредингера ученые, исследовавшие атом, получили в свои руки такое же мощное оружие, какое в свое время было дано астрономам после появления основных законов механики Ньютона, включая закон всемирного тяготения
Поэтому не удивительно, что с появлением уравнения Шредингера многие факты, связанные с движением электронов внутри атома, нашли свое теоретическое обоснование.
Однако, как оказалось в дальнейшем, теория Шредингера описывала далеко не все свойства атомов; с ее помощью нельзя было, в частности, правильно объяснить взаимодействие атома с магнитным полем,а тaкжe построить теорию сложных атомов. Это было связано главным образом с тем обстоятельством, что в теории Шредингера не учитывались релятивистские и спиновые свойства электрона.
Дальнейшим развитием теории Шреденгера явилась релятивистская теория Дирака. Уравнение Дирака позволило описать как релятивистские, так и спиновые эффекты электронов При этом оказалось, что если учет релятивистских эффектов в атомах с одним электроном приводит к сравнительно небольшим количественным поправкам, то при изучении строения атомов с несколькими электронами учет спиновых эффектов имеет решающее значение. Только после того как были приняты во внимание спиновые свойства электронов, удалось объяснить правило заполнения электронных оболочек в атоме и дать периодическому закону Менделеева строгое обоснование.
С появлением уравнения Дирака принципиальные вопросы, связанные со строением электронной оболочки атома, можно было считать в основном разрешенными, хотя углубление наших знаний в развитии отдельных деталей должно было продолжаться. В связи с этим следует заметить, что в настоящее время подробно изучается влияние так называемого электромагнитного и электронно-позитронного вакуумов, а также влияние магнитных моментов ядер иразмеров ядерна энергетические уровни атомов.
Одной из характерных особенностей первого этапа теории элементарных частиц, получившей название квантовой теории поля, является описание взаимной превращаемости элементарных частиц. В частности, по теории Дирака было предсказано возможное превращение гамма-квантов в пару электрон-позитрон и обратно, что затем было подтверждено экспериментально
Таким образом, если в классической теории между светом и электронами было два различия а) свет-волны, электроны- частицы, б) свет может появляться и поглощаться, число же электронов должно оставаться неизменным, то в квантовой механике со свойственным ей корпускулярно-волновым дуализмом было стерто первое различие между светом и электронами. Однако в ней, так же как и в теории Лоренца, число электронов должно было оставаться неизменным.Только после появления квантовой теории поля, описывающей взаимную превращаемость элементарных частиц, было фактически стерто и второе различие
Поскольку одной из основных задач теоретической физики является изучение реального мира и прежде всего простейших фору его движения, определяющих также и более сложные явления, то естественно, что все эти вопросы всегда связаны с филосовскими вопросами и, в частности, с вопросом познаваемости микромира, поэтому не удивительно, что многие крупные физики, сделавшие важнейшие открытия в области физики, пытались вместе с тем интерпретировать эти открытия с той или иной философской точки зрения. Благодаря таким взглядам был открыт эффект Бозе-Эйнштейновской конденсации.
К 1920 физики были уже довольно хорошо знакомы с двойственной природой света: результаты одних экспериментов со светом можно было объяснить, предполагая, что свет представляет собой волны, а в других он вел себя подобно потоку частиц. Поскольку казалось очевидным, что ничто не может быть в одно и тоже время и волной, и частицей, ситуация оставалась непонятной, вызывая горячие споры в среде специалистов. В 1923 французский физик Л.де Бройль в опубликованных им заметках высказал предположение, что столь парадоксальное поведение, может быть, не является спецификой света, но и вещество тоже может в одних случаях вести себя подобно частицам, а в других подобно волнам. Исходя из теории относительности, де Бройль показал, что если импульс частицы равен p , то «ассоциированная» с этой частицей волна должна иметь длину волны l = h /p. Это соотношение аналогично впервые полученному Планком и Эйнштейном соотношению E = h n между энергией светового кванта Е и частотой n соответствующей волны. Де Бройль показал также, что эту гипотезу можно легко проверить в экспериментах, аналогичных опыту, демонстрирующему волновую природу света, и настойчиво призывал к проведению таких опытов. Заметки де Бройля привлекли внимание Эйнштейна, и к 1927 К.Дэвиссон и Л.Джермер в Соединенных Штатах, а также Дж.Томсон в Англии подтвердили для электронов не только основную идею де Бройля, но и его формулу для длины волны. В 1926 работавший тогда в Цюрихе австрийский физик Э.Шрёдингер, прослышав о работе де Бройля и предварительных результатах экспериментов, подтверждавших ее, опубликовал четыре статьи, в которых представил новую теорию, явившуюся прочным математическим обоснованием этих идей.
Такая ситуация имеет свой аналог в истории оптики. Одной уверенности в том, что свет есть волна определенной длины, недостаточно для детального описания поведения света. Необходимо еще написать и решить выведенные Дж.Максвеллом дифференциальные уравнения, подробно описывающие процессы взаимодействия света с веществом и распространение света в пространстве в виде электромагнитного поля. Шрёдингер написал дифференциальное уравнение для материальных волн де Бройля, аналогичное уравнениям Максвелла для света. Уравнение Шрёдингера для одной частицы имеет вид
=d /dxгде m – масса частицы, Е – ее полная энергия, V (x ) – потенциальная энергия, а y – величина, описывающая электронную волну. В ряде работ Шрёдингер показал, как можно использовать его уравнение для вычисления энергетических уровней атома водорода. Он установил также, что существуют простые и эффективные способы приближенного решения задач, не поддающихся точному решению, и что его теория волн материи в математическом отношении полностью эквивалентна алгебраической теории наблюдаемых величин Гейзенберга и во всех случаях приводит к тем же результатам. П.Дирак из Кембриджского университета показал, что теории Гейзенберга и Шрёдингера представляют собой лишь две из множества возможных форм теории. Вскоре Дирак добился неожиданно крупного успеха, продемонстрировав, каким образом квантовая механика обобщается на область очень больших скоростей, т.е. приобретает вид, удовлетворяющий требованиям теории относительности. Постепенно стало ясно, что существует несколько релятивистских волновых уравнений, каждое из которых в случае малых скоростей можно аппрокcимировать уравнением Шрёдингера, и что эти уравнения описывают частицы совершенно разных типов. Например, частицы могут иметь разный «спин»; это предусматривается теорией Дирака. Кроме того, согласно релятивистской теории, каждой из частиц должна соответствовать античастица с противоположным знаком электрического заряда. В то время, когда вышла работа Дирака, были известны только три элементарные частицы: фотон, электрон и протон. В 1932 была открыта античастица электрона – позитрон. На протяжении нескольких последующих десятилетий было обнаружено много других античастиц, большинство из которых, как оказалось, удовлетворяли уравнению Дирака или его обобщениям. Созданная в 1925–1928 усилиями выдающихся физиков квантовая механика не претерпела с тех пор в своих основах каких-либо существенных изменений.
На Международной космической станции прошел первый эксперимент по охлаждению атомов. Специалистам удалось создать конденсат Бозе - Эйнштейна (КБЭ), который появляется только при экстремально низких температурах, не встречающихся на Земле, сообщает Space Daily.
В мае 2018 года к МКС была отправлена Лаборатория холодного атома (CAL), чтобы изучить процессы, происходящее с этими частицами при температурах, близким к абсолютному нулю (−273,15 °C). При помощи CAL ученые хотели замедлить движение частиц и в результате получить экзотическую форму материи, нечто среднее между газом и жидкостью, известную как конденсат Бозе-Эйнштейна.
В 2014 году инженерам Лаборатории реактивного движения NASA смогли построить камеру для охлаждения атомов до температуры близкой к абсолютному нулю. В том же году в земном прототипе CAL ученые получили конденсат. Для этого в камеру были внедрены два типа охлаждающих устройств - лазеры, которые подавляют вибрации атомов и заставляют частицы охлаждаться, и магнитная ловушка, которая отбрасывает самые «горячие» атомы и оставляет внутри себя только самые холодные и неподвижные частицы.
Однако на Земле после отключения магнитной ловушки холодные атомы притягивались “вниз” и “умирали”, то есть существовали всего лишь несколько секунд (столько времени не хватит, чтобы изучить эти атомы), в космосе же они могут “жить” гораздо больше, вплоть до двух-четырех минут, из-за того, что там нет гравитации. Именно поэтому CAL и отправили на МКС.
В конце прошлой недели, а именно 27 июля, сотрудники проекта CAL сообщили СМИ, что на Международной космической станции их установка произвела КБЭ из атомов рубидия при температуре до 100 нанокельвинов, или немного выше абсолютного нуля (−273°C). Это ниже, чем средняя температура в межгалактическом пространстве (примерно −270°C). Эксперимент проходил удаленно, управлялся специалистами с Земли.
“При таких ультрахолодных температурах поведение атомов, составляющих конденсат Бозе - Эйнштейна, весьма отличается от чего-либо на Земле. Фактически этот конденсат характеризуется как пятое состояние материи, отличимое от газов, жидкостей, твердых тел и плазмы. Примечательно, что атомы КБЭ больше походят на волны, чем на частицы” , — сообщил Роберт Шотвелл, инженер Лаборатории реактивного движения NASA.
“Холодные атомы — это долгоживущие квантовые волны-частицы, которыми можно управлять” , — объясняет физик Роберт Томпсон, участник проекта CAL. — “На этих волнах-частицах мы сможем отточить наши квантовые технологии, изучить некоторые квантовые явления, научиться делать более точные измерения силы тяжести, исследовать волновую природу самого атома” .
Волновая природа атомов обычно наблюдается только в микроскопических масштабах, но КБЭ позволяет наблюдать это явление невооруженным глазом, следовательно, его становится намного легче изучать. Все ультрахолодные атомы принимают самое низкое энергетическое состояние и одинаковую волновую идентичность, становясь неотличимыми друг от друга. Вместо облака атомов появляется один “суператом”, который можно легко исследовать без увеличительных приборов.
Конденсат Бозе - Эйнштейна
Существование КБЭ теоретически было предсказано как следствие из закона квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работ индийского физика Шатьендраната Бозе в 1925 году, а спустя 70 лет был проведен первый эксперимент. В 1995 году Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле в Объединенном институте лабораторной астрофизики (JILA) получили первый бозе-конденсат из газа атомов рубидия, охлажденный до 170 нанокельвинов, и спустя 6 лет за эту работу были удостоены Нобелевской премии по физике.
С тех пор ученые провели десятки экспериментов с КБЭ на Земле и даже в космосе на борту некоторых ракет. Но все опыты были кратковременными и не принесли значительной пользы. Лаборатория холодного атома является первой и единственной установкой на сегодняшний день, на которой ученые могут ежедневно проводить эксперименты по получению и исследованию конденсата Бозе-Эйнштейна и добиться реальных научных результатов, способных раскрыть фундаментальные тайны Вселенной.
В будущем на CAL ученые будут работать с температурами более низкими, чем с теми, с которыми они работали на земных установках.
Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Стоит произнести «квантовая механика», как нам представляются элементарные частицы, атомы или что‑то подобное. На самом деле, формулы квантовой механики вполне применимы к макроскопическим телам. Главное, чтобы эти тела не взаимодействовали с внешним миром, чтобы они были идеально изолированы от него.
Неслучайно особый интерес ученых в последнее время вызывают макроскопические объекты, которые ведут себя по законам квантового мира. Пример тому – конденсат Бозе – Эйнштейна, крохотное облачко из множества атомов, охлажденных до сверхнизкой температуры – до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, когда тепловое движение практически замирает. Подобное облачко, находясь в магнитной ловушке, ведет себя буквально как один огромный «атом». Отдельные атомы, составившие его, теряют свободу; они перестают быть независимы друг от друга. «Атомы шагают в ногу», – как было метко сказано в одной из статей, посвященных данному явлению. Образовавшийся макроскопический квантовый объект достигает в поперечнике нескольких микрометров; он во много раз больше обычного атома. Теперь этот объект как единое целое реагирует на любые воздействия, хотя между отдельными его атомами почти не действуют никакие связывающие их силы.
Охлажденное до невероятной температуры облачко атомов начинает «шагать в ногу» – возникает конденсат Бозе – Эйнштейна
Причудливый мир атомов. Слева: атомы натрия и йода на поверхности медной подложки. Справа: «стена», возведенная из атомов железа на медной подложке
«Обычно все атомы мельтешат, мчатся кто куда, но если их очень сильно охладить, они начинают вдруг маршировать строем, как армия. Разница почти такая же, как между электрической лампочкой и лазером: у лампочки все частицы света мчатся в разные стороны, а у лазера маршируют. Вот мы и сумели построить лазер, который излучает не свет, а вещество. Собственно говоря, все очень просто, не так ли?» – шутливо пояснял суть открытия немецкий физик Вольфганг Кеттерле, получивший впоследствии Нобелевскую премию за исследование этого конденсата, который представлял собой… новое состояние вещества.
Окружающие нас субстанции пребывают в жидком, твердом или газообразном виде. Однако теория допускает и другие агрегатные состояния. Например, все атомы вещества могли бы сконденсироваться на самом низком энергетическом уровне. Подобный объект должен был реагировать на любые воздействия как единое целое, хотя его частицы ничто не связывает. Его поведение можно было бы описать одной‑единственной волновой функцией. Этот странный феномен предсказал в середине 1920‑х годов Альберт Эйнштейн, анализируя расчеты, которые проделал индийский физик Шатьендранат Бозе. Данная метаморфоза должна произойти в непосредственной близости от абсолютного нуля по шкале Кельвина.
Готовится эксперимент по охлаждению вещества почти до абсолютного нуля и получению конденсата Бозе – Эйнштейна
В самом деле, подобное состояние впоследствии наблюдалось, но получить его в чистом виде не удавалось никак. Так, в сверхпроводниках часть электронов пребывает в виде конденсата Бозе‑Эйнштейна. В сверхтекучем гелии часть атомов тоже ведет себя, как единое целое.
В начале девяностых годов сразу в нескольких научных лабораториях «охотились» за конденсатом Бозе – Эйнштейна. Путь к нему пролегал через область сверхпроводящих материалов. Следующая отметка на пути ученых: 4,2 кельвина (около – 269 °С). При этой температуре гелий становится жидкостью. При температуре, равной 2 Кельвинам, он становится сверхтекучим, то есть, не испытывая трения, проникает в тончайшие капилляры.
Собственно область физики сверхнизких температур начинается при температуре ниже 2 Кельвинов. К середине 1990‑х годов физикам удалось настолько усовершенствовать технологию охлаждения, что открытие нового состояния вещества казалось неминуемым.
Вот один из методов – так называемое лазерное охлаждение. Газ удерживается в магнитной ловушке, а на него направляется лазерный луч. Он поглощает часть кинетической энергии атомов, и это снижает температуру газа. В потоке световых квантов атомы газа тормозятся словно в «оптическом сиропе». Подобным способом в начале 1995 года удалось охладить газ из атомов цезия до температуры, равной 700 нанокельвинам, то есть 0,0000007 кельвина.
Все готово для получения конденсата Бозе – Эйнштейна
Но рекорд держался недолго. В том же году американские физики Эрик Корнелл и Карл Уайман из Национального института стандартов и технологий (Колорадо) сперва охладили газ, образованный из атомов рубидия, до 200 нанокельвинов, а чуть позже побили и этот температурный рекорд. Важную роль сыграл выбор газа. Атомы рубидия из‑за их размеров легче охладить, чем, например, водород. Кроме того, при работе с ними конденсат легче обнаружить. В случае же с водородом газ может сконденсироваться, и никто ничего не заметит.
Рубидиевый газ предварительно охлаждали лазерами, а затем с помощью направленных радиоволн удаляли из магнитной ловушки самые горячие из атомов. «Происходило примерно то же, что и с чашкой кофе, которую остужают, дав испариться самым горячим частичкам напитка», – поясняет Эрик Корнелл.
Наконец, при температуре, равной 170 нанокельвинам, настал долгожданный момент: рубидиевый газ начал конденсироваться, его плотность резко возросла. Все больше атомов занимало самое выгодное энергетическое положение вместо того, чтобы распределяться по различным уровням, что характерно для обычного газа. В центре ловушки скопились две тысячи атомов. Их скорость и направление движения были одинаковы. Это состояние длилось около пятнадцати секунд.
«Когда исследователи поняли, что за добычу они поймали, всех охватило поразительное волнение. Ведь этот сгусток атомов вовсе не был обычным газом! Речь шла о новой форме вещества, которой приписывают диковинные свойства». Подобными сообщениями летом 1995 года пестрели страницы многих газет.
В первых комментариях к этому эксперименту говорилось, что конденсат Бозе‑Эйнштейна мог бы задать новый эталон измерения времени. Что он мог бы проводить тепло лучше, чем металл. Что если сфокусировать его, получится луч, напоминающий лазерный. Подобный луч мог бы стать мощным орудием нанотехнологов. Используя его, можно было бы изготавливать куда более миниатюрные микросхемы, чем теперь.
«Мы проникли в совершенно новую область исследований, – признавался в одном из первых интервью будущий нобелевский лауреат Эрик Корнелл. – Перед нами открываются очень интересные феномены. Я думаю, что в ближайшие годы физика сверхнизких температур переживет свой ренессанс».
Начиная с 1995 года, физики сумели получить конденсат Эйнштейна‑Бозе из атомов рубидия, натрия, водорода и гелия. Во всех случаях он состоял из бозонов – квазичастиц с целым спином (собственным моментом количества движения), стремящихся быть как можно ближе друг к другу.
В 1999 году был впервые получен и конденсат из фермионов – частиц с полуцелым спином, которые стараются держаться друг от друга подальше. В данном случае конденсат содержал атомы калия. Они соединялись попарно, образуя своего рода двухатомные молекулы с целым спином.
Это напоминало появление так называемых пар Купера в сверхпроводниках, то есть пар электронов, способных преодолеть взаимное отталкивание. В комментариях специалистов подчеркивалось: «Если бы удалось перевести фермионный конденсат в твердое состояние, то получившееся вещество могло бы иметь свойства высокотемпературного сверхпроводника».
«Изучение фермионных конденсатов может значительно продвинуть исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку механизм образования пар атомов имеет тот же характер, что и образование пар Купера, но при этом атомы значительно более устойчивы к влиянию высоких температур», – писал журналист «Известий» Петр Образцов.
Идет эксперимент с конденсатом Бозе – Эйнштейна
Наконец, в апреле 2001 года появились сообщения о том, что сотрудники Rice University (Хьюстон, Техас) получили особое состояние вещества: в нем одновременно присутствовали и бозонный, и фермионный конденсаты.
Группа ученых – ее возглавлял Рэндалл Халет – проводила опыты со смесью, содержавшей изотопы лития‑6 и лития‑7. Атомы последнего ведут себя, как бозоны, поскольку состоят из четного числа элементов: четырех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Атомы лития‑6 принадлежат к фермионам. Они состоят из нечетного числа частиц: трех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Два одинаковых фермиона не могут находиться в одном и том же месте, двигаться с одной и той же скоростью, в одном и том же направлении.
На мониторе растрового туннельного микроскопа видны горы, сложенные из атомов
Когда атомарное облако охладили до миллионной доли градуса Кельвина, в самом центре магнитной ловушки расположились атомы лития‑7; они образовали компактное облако диаметром около полумиллиметра. При дальнейшем охлаждении оно быстро уменьшалось. Фермионное облако было диффузным, и размеры его мало менялись. В нем действовало так называемое давление Ферми, которое мешало атомам даже при столь низкой температуре скапливаться посредине ловушки. Американские ученые предполагают, что и при более низких температурах фермионное и бозонное облака избегают друг друга и стремятся отдалиться. Подобное явление наблюдалось также в смеси из жидкого гелия‑3 и гелия‑4.
Любопытны и другие исследования конденсата Бозе – Эйнштейна.
Так, Эрик Корнелл и Карл Уайман в опыте с конденсатом из атомов изотопа рубидия добились быстрого чередования сил притяжения и отталкивания атомов. Это привело к почти взрывному расширению конденсата, напоминавшему взрыв сверхновой звезды. Ученые окрестили данный процесс: «Bose‑Nova».
Немецкие физики Йозеф Фортаг и Теодор Хенш, получивший Нобелевскую премию по физике в 2005 году, независимо друг от друга изготовили микросхему, которой можно управлять с помощью капли конденсата Бозе – Эйнштейна. Используя ее, можно накапливать и передавать информацию.
Вольфганг Кеттерле показал, что от конденсата Бозе – Эйнштейна можно «отщипывать» кусочки. Это позволит построить атомный лазер, который будет генерировать излучение вещества, а не света. Конденсат представляет собой идеальную вещественную волну подобно тому, как лазерный свет – идеальную электромагнитную волну. Отдельные его атомы можно описывать волновой функцией, как и когерентный свет. Однако длина волны атомов значительно меньше, чем длина световой волны. С помощью атомного лазера можно создавать самые крохотные структуры, перемещая атомы с точностью до нанометра. Это открытие принесет ощутимый прогресс в нанотехнологии. Преимущество атомных лазеров перед традиционной светооптикой заключается в их чрезвычайно высокой точности. «Применение атомного лазера, – говорит Теодор Хенш, – это, насколько мне известно, самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их».
«Применение атомного лазера, – говорит Теодор Хенш, – это… самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их»
«Конденсат Бозе – Эйнштейна, – отмечает Кеттерле, – открывает путь к созданию и исследованию совершенно новых материалов». Так, плоские полосы или ленты из конденсата «обладают абсолютно иными свойствами, чем трехмерные объекты. Это – совершенно иная физика».
Конденсат идеально подходит для экспериментального исследования свойств квантовых систем. Кроме того, его можно рассматривать как модель макроскопических систем, в которых множество частиц вынуждены взаимодействовать друг с другом. Так, можно создать «оптическую решетку» из световых волн и поместить внутри нее конденсат Бозе – Эйнштейна. Получится своеобразный объект, в котором охлажденные атомы газа будут располагаться строго в определенных точках пространства – почти как атомы в кристаллической решетке. Этот чрезвычайно охлажденный газ можно использовать в лабораторных экспериментах как упрощенную модель твердого тела. Возможно, эксперименты с конденсатом Бозе‑Эйнштейна помогут, наконец, точно описать механизм высокотемпературной сверхпроводимости.
Остается добавить, что, по сообщению газеты «Известия», «крупнейшие российские специалисты по конденсатам Бозе‑Эйнштейна работают за границей: академик Владимир Захаров – в США, академик Лев Питаевский – в Италии. Эксперименты в этой области в России не ведутся».
Таким образом, КБЭ, как и любое другое вещество, состоит из отдельных атомов, но, в отличие от обычного вещества, атомы теряют в нем свою индивидуальность . Становится невозможным отличить часть от целого, и по сути получается конгломерат атомов, обладающий квантовыми свойствами одного отдельно взятого атома. Этот гигантский квази-атом больше обычного в 100 тысяч раз и даже крупнее человеческой клетки. Благодаря своим размерам, КБЭ дает экспериментаторам уникальную возможность непосредственно проверять на практике теоретические положения квантовой механики: в современной науке он выполняет ту же роль, что и яблоки - в ньютоновские времена.
Впервые вещество,
обладающее свойствами КБЭ, было получено в 1938 году. Советский физик
Петр Капица
и канадец Джон Аллен
охладили гелий-4 до
температуры ниже 2.2 кельвина, в результате чего этот газ приобрел
свойства сверхтекучей жидкости, совершенно не имеющей вязкости.
Сверхтекучий гелий
демонстрирует необычные свойства: он может
выливаться вверх из открытого контейнера (см. ниже фото) или растекаться по
вертикальным стенам. Сверхтекучесть в гелии происходит благодаря
тому, что часть атомов гелия, до 10 процентов, превращается в
КБЭ.
В лазерной
технике
также используются свойства КБЭ путем синхронизации волн
фотонов, которые по определению являются бозонами. В процессе получения
лазерного луча используется предрасположенность бозонов к концентрации в
единое квантовое состояние.
Другая сфера применения КБЭ - сверхпроводники . Сверхпроводимость достигается путем низкотемпературной конденсации электронов в пары. Парные связки электронов образуются только в определенных веществах при определенных условиях, например, в алюминии, охлажденном до 1.2 кельвина. Одиночные электроны не могут использоваться для получения КБЭ, потому что они представляют собой несовместимые по волновым функциям фермионы, но когда они объединяются в пары, в результате получаются бозоны, которые немедленно конденсируются в КБЭ. (Подобный процесс спаривания и конденсации происходит в сверхтекучем гелии-3, атомы которого являются фермионами).
Наконец, свойства КБЭ наблюдаются в экситоне (от лат. excito - возбуждаю ). Это квазичастица, которая представляет собой связанное состояние электрона и так называемой "дырки" - отсутствующего электрона в узле кристаллической решетки полупроводника. В такую пару могут на короткое время объединяться генерируемые лазерным импульсом электрон и дырка, которая ведет себя как положительно заряженная частица. В 1993 году физики наблюдали образование из экситонов кратковременного газообразного конденсата в полупроводнике на основе окиси меди.
Однако, феномен КБЭ в чистом виде был экспериментально продемонстрирован сравнительно недавно. В 1995 году группа физиков - нынешних нобелевских лауреатов - произвела этот конденсат при помощи атомных ловушек с использованием лазерных лучей и магнитных полей, в которых атомы рубидия были охлаждены до сверхнизкой температуры в несколько сот нанокельвинов. Вслед за этим группы ученых во всем мире произвели множество экспериментов с КБЭ, в которых на него воздействовали лазерными лучами, звуковыми волнами, магнитными полями и т.д. В частности, при прохождении лазерного луча через газовый конденсат было достигнуто замедление скорости света до скорости движения пешехода (метр в секунду). Полученные результаты в основном соответствовали ожидаемым в соответствии с постулатами квантовой механики. Таким образом, было положено начало переходу от квантовой теории к квантовой практике.
В ближайшем будущем можно ожидать широкое внедрение КБЭ в технологию точных измерений, что сделает возможным создание сверхточных приборов наведения и ориентации, гравитометров, систем определения положения самолетов и космических кораблей с точностью до нескольких сантиметров. Другая перспективная область внедрения КБЭ - нанотехнология, обещающая появление нано-роботов, способных собирать молекулы любого вещества из отдельных атомов, и сверхмощных квантовых компьютеров.
Основным инструментом внедрения феномена КБЭ в технический прогресс станет, по всей видимости, АТОМНЫЙ ЛАЗЕР . Это устройство представляет собой материальный аналог оптического лазера. То есть, вместо луча света генерируется направленный "луч" материального вещества. Такой луч представляет собой когерентный, свободно движущийся поток газового концентрата. Термин "когерентный" в данном случае означает, что все атомы в луче движутся квантово-синхронно, то есть их волновые функции взаимно упорядочены.
Первый атомный лазер был создан в 1997 году группой Вольфганга Кеттерля и приводился в действие силой гравитации. Содовый концентрат облучали радиоимпульсами, под воздействием которых часть атомов меняла свой спин. На атомы с измененным спином не распространялось действие ловушки, и они в буквальном смысле слова выпадали из нее. Фактически, такой атомный лазер больше напоминал не луч света, а струю воды, льющуюся из крана.
В 1998 году Теодор Хёнш из Мюнхенского университета продемонстрировал подобную систему, в которой был задействован непрерывный поток атомов рубидия. Рубидиевый атомный луч был в миллион раз ярче всех ему подобных. Примерно в то же время Вилльям Филлипс и Стивен Ролстон из Национального института стандартов и технологий создали, наконец, атомный лазер, луч которого можно было посылать в любом направлении, а не только вниз. В своей конструкции они использовали оптические лазеры, выбивающие из конденсата атомы через вращающуюся дыру на краю ловушки - так называемый "круг смерти". С помощью определенной последовательности лазерных импульсов, тщательно синхронизированных с кругом смерти, ученые получили когерентный, интенсивный и непрерывный поток атомов - аналог яркого луча оптического лазера.
В настоящее время атомные лучи уже используются в ряде научных и промышленных приборов, в частности, в атомных часах, в высокоточных измерительных инструментах для определения фундаментальных констант и в производстве компьютерных чипов. Однако можно предположить, что широкое внедрение атомных лазеров займет довольно долгое время, судя по тому, что между изобретением оптического лазера и его повсеместным применением в бытовой технике прошло 30 лет. Основная проблема использования атомного лазера заключается пока что в том, что его луч распространяется только в вакууме.
Среди научно прогнозируемых сфер применения атомного лазера на грани фантастики - атомная голография . Теоретически возможно создание в будущем атомно-лазерных принтеров и факсов, которые позволят распечатывать и передавать на большие расстояния не плоские изображения объектов, но их материальные трехмерные модели.