Результаты эксперимента описаны в журнале Nature.
Конденсат Бозе — Эйнштейна (КБЭ) — агрегатное состояние вещества, которое было теоретически предсказано из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работ Шатьендраната Бозе в 1925 году. Оно образуется, когда газ бозонов — атомов, имеющих четное общее число протонов и нейтронов — охлаждается до температуры, близкой к абсолютному нулю, при которой атомы почти не двигаются.
В 1995 году первый КБЭ на основе газа атомов рубидия получили в лаборатории. Однако изучению свойств этого состояния вещества на Земле мешает гравитация. Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые создали на МКС Лабораторию холодного атома, первые результаты работы которой описаны в статье.
Использование космической микрогравитационной среды позволило авторам исследовать физику этой экзотической формы вещества, занимающей промежуточное положение между квантовым и материальным миром. При сверхнизкой температуре в состоянии вечного свободного падения бозоны становятся материей, обладающей квантовыми свойствами.
Центральным принципом квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому каждая частица может быть описана как волна материи. В ультрахолодных газовых комплексах атомы заполняют самое низкое энергетическое состояние, и их облако можно рассматривать как единую материальную волну. Именно это свойство бозонов, которое называется квантовым вырождением, и изучали авторы в эксперименте на орбите.
Конденсация Бозе — Эйнштейна достигается охлаждением атомного облака с помощью магнитного испарения — комбинации светового и магнитного полей. При таком подходе атомы заключаются в магнитную ловушку, а те из них, которые обладают наибольшей кинетической энергией — самые "горячие" — выбиваются из ловушки радиочастотным излучением. Остальные атомы сталкиваются друг с другом и достигают теплового равновесия при более низкой температуре. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не образуется КБЭ.
Оказалось, что свойства конденсатов Бозе — Эйнштейна в условиях космической микрогравитации существенно отличаются от их свойств на Земле. Например, время свободного расширения, когда атомы колеблются после отключения магнитных ловушек, в космосе составляет около секунды, в отличие от миллисекунд на Земле.
Это очень важно для изучения КБЭ. Освобождение от магнитного поля приводит к тому, что облако атомов под действием отталкивающих сил начинает расширяться, и через некоторое время концентрация его становится слишком низкой, чтобы можно было измерить параметры конденсата. Поэтому, чем дольше время наблюдения, тем выше точность.
Скорость расширения может быть снижена за счет уменьшения глубины ловушки и плотности атомов в ней. На Земле из-за гравитационного притяжения, чтобы удержать КБЭ, требуются глубокие ловушки. На МКС, при чрезвычайно слабой гравитации, как показали результаты эксперимента, достаточно мелких ловушек.
Кроме того, в условиях микрогравитации для захвата атомов требуются меньшие силы, а значит экзотические квантовые эффекты становятся заметными при менее экстремальных температурах.
Ученые надеются, что созданная ими установка — атомный интерферометр на околоземной орбите — откроет новые возможности для исследования квантовых газов, а также других экспериментов по изучению свободного падения, а возможно, и темной энергии.
|
