Атомный холодильник
В космосе холодно. Температуры в пространстве меж звезд и галактик нередко опускаются до 3°K. А скоро самая холодная точка в известной Вселенной окажется внутри МКС.
Ученые NASA строят Cold Atom Lab — атомный «холодильник», предназначение которого — охлаждать материю до температур около 100 пикокельвин, не встречающихся в естественных условиях. Cold Atom Lab отправится на МКС в 2016 году.
100 пК — это всего одна десятимиллиардная часть градуса выше абсолютного нуля. При столь низких температурах всякая тепловая активность атомов, теоретически, прекращается, и классические концепции жидкости, газа и твердого тела утрачивают свой смысл. Атомы, взаимодействующие у самого порога нулевых энергий, формируют совсем иные состояния вещества — квантовые.
Квантовая механика — это раздел физики, описывающий странные правила, которым подчиняется материя в атомарном масштабе. В квантовом мире частица может находиться сразу в двух местах, объекты ведут себя одновременно и как волны, и как частицы, и нет ничего определенного: квантовая физика оперирует вероятностями.
В этот мир и собираются заглянуть исследователи, используя Cold Atom Lab. Для начала они планируют взяться за конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК).
В 1995 году ученые обнаружили, что несколько миллионов атомов рубидия, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю, сливаются в единую «волну материи». Позже выяснилось, что подобный фокус сработает и с атомами натрия. В 2001 году Эрик Корнелл, Вольфганг Кеттерле и Карл Виман разделили Нобелевскую премию по физике за экспериментальное наблюдение явления, предсказанного Альбертом Эйнштейном и Шатьендранатом Бозе еще в начале 20-го века.
Если вы создадите два бозе-конденсата и соедините их, они не смешаются, как это сделали бы газы. Вместо этого они будут интерферировать, как волны: тонкие параллельные слои вещества, разделенные прослойками пустого пространства. Атом одного БЭК может «сложиться» с атомом другого, а в результате — не останется ни одного атома.
Cold Atom Lab — место, где можно будет смешать сверххолодные атомные газы и посмотреть, что произойдет. Различные атомы будут взаимодействовать друг с другом в среде, практически свободной от возмущений, что позволит ученым провести высокоточные измерения, которые, возможно, приведут к открытию доселе неведомых квантовых явлений.
Международная космическая станция — лучшее место для подобных исследований. Микрогравитация позволяет добиться температур, гораздо более низких, чем те, которые достижимы на Земле.
Это один из основных принципов термодинамики: при расширении газы охлаждаются, поясняет Роб Томпсон, исследователь из Лаборатории реактивного движения NASA. Распыляя аэрозоль, мы чувствуем, как баллон в руке становится прохладным. Квантовые газы охлаждают примерно также, только вместо баллона — магнитная ловушка, удерживающая атомы вместе.
На МКС такая ловушка может быть очень непрочной, поскольку ей не нужно удерживать атомы от движения под действием силы тяжести. А это позволяет обеспечить большее пространство для расширения — и охлаждение до более низких температур, чем на Земле.
К чему приведут фундаментальные исследования в «атомном холодильнике» — неизвестно. Даже «практические» области применения, названные Томпсоном, звучат, как сошедшие со страниц научной фантастики: квантовые датчики, корпускулярно-волновые интерферометры, атомные лазеры...
Ученые рассматривают Cold Atom Lab, как дверь в квантовый мир. Однако многие двери ведут не только «в», но и «из». Возможно, исследователям удастся собрать многослойную конструкцию из «атомов-волн» толщиной хотя бы с человеческий волос — достаточно большую, чтобы её можно было рассмотреть невооруженным глазом. Порождение квантовой физики шагнет в макромир... Это было бы воистину удивительным.
По материалам NASA Science