Самая холодная точка во Вселенной
Все знают, что в космосе холодно. В неохватном пространстве между звездами и галактиками температура газовой материи составляет 3 градуса Кельвина, т.е. около -270 градусов Цельсия. И теперь она может стать еще ниже. Исследователи из НАСА планируют создать самую холодную точку в известной нам Вселенной внутри Международной космической станции.
«Мы собираемся изучать вещество при температурах намного ниже, чем те, которые встречаются в природе, - говорит Роб Томсон (Rob Thompson) из Лаборатории реактивного движения. Он является научным сотрудником специальной лаборатории НАСА, которая называется Cold Atom Lab («Лаборатория холодного атома») и представляет собой атомный «холодильник». – Нашей целью является снизить температуру до 100 пико-Кельвинов».
100 пико-К (около -373,5 пико º С) – это одна десятимиллиардная доля от градуса над абсолютным нулем. При такой температуре вся термическая активность атомов теоретически останавливается. При таких низких температурах обычные понятия твердого, жидкого и газообразного состояний перестают существовать. Атомы, взаимодействующие прямо над пределом нулевой энергии, создают новые формы материи, которые, по сути, являются… квантовыми.
Квантовая механика – это область физики, которая описывает необычные законы света и материи на атомном уровне. В данном мире вещество может быть в двух местах сразу, объекты ведут себя одновременно и как частицы, и как волны. В этом мире все неопределенно: квантовое царство зиждется на вероятности. И как раз в этот мир стремятся проникнуть исследователи, используя Cold Atom Lab.
«Мы начнем, - говорит Томсон. – С изучения конденсатов Бозе-Эйнштейна».
В 1995 году исследователи обнаружили, что если взять несколько миллионов атомов рубидия и охладить их до температуры, близкой к абсолютному нулю, они сольются в единую волну материи. Этот же трюк сработал и с натрием. В 2001 году Эрик Корнелл (Eric Cornell) из Национального института стандартов и технологий (США) и Карл Вьюман (Wolfgang Ketterle) из Университета Колорадо (США) получили Нобелевскую премию вместе с Вольфгангом Кеттерлем (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института за независимое открытие этих конденсатов, существование которых предсказали еще в начале XX века Бозе и Эйнштейн.
Если создать 2 таких конденсата и поместить их вместе, они не будут перемешиваться друг с другом, в отличие от обычного газа. Вместо этого, они могут «взаимопроникать», как волны: тонкие, параллельные слои материи, разделенные тонкими слоями пустого пространства. Атом из одного конденсата может соединяться с атомом из другого конденсата, в результате чего может получаться полное отсутствие атома.
«Лаборатория Cold Atom Lab позволит нам изучить эти объекты при, возможно, самой низкой когда-либо известной температуре», - говорит Томсон.
Лаборатория также является местом, где исследователи могут смешивать суперхолодные атомные газы и наблюдать, что при этом происходит.
«Смеси различных типов атомов могут плавать вместе почти совершенно свободно без волнений, - объясняет Томсон. – Что позволяет нам сделать крайне сложные измерения очень слабых взаимодействий. Это может привести к открытию интересного и совершенно нового квантового феномена».
Космическая станция – идеальное место для проведения данного исследования. Невесомость позволяет исследователям охладить материалы до температур, намного ниже тех, чем известные до сего времени на Земле.
Томсон объясняет, почему так:
«Это базовый принцип термодинамики: когда газ расширяется, он охлаждается. Многие из нас сталкивались с этим в повседневной жизни. Если вы распыляете аэрозоль, то банка становится холодной. Квантовые газы охлаждаются практически также. Однако вместо банки, мы имеем «магнитные ловушки». На МКС эти ловушки можно сделать очень слабыми, так как им уже не надо помогать атомам преодолевать силы гравитации. Слабые ловушки позволяют газам расширяться и охлаждаться до более низких температур, чем на Земле».
Никто не знает, куда это фундаментальное исследование заведет науку. Даже «практичные» виды использования, перечисленные Томсоном: квантовые датчики, интерферометры волны материи, атомные лазеры и т.д. – звучат, как сказка.
«Мы ступаем в неизвестное», - говорит он.
Другие ученые, как и Томсон, считают, что лаборатория Cold Atom Lab – это открытая дверь в квантовый мир. Открывается ли она в обе стороны? Если температура будет достаточно низкой, «мы сможем собрать пакет с атомными волнами толщиной в человеческий волос – достаточная толщина для того, чтобы человек смог это увидеть». Порождение квантовой физики войдет в макроскопический мир.
А затем начнутся настоящие эксперименты.
С кратким изложением миссии Лаборатории можно ознакомиться здесь.
По материалам Phys. Org.
Анастасия Полянская nauka21vek.ru