Знание-сила, 1997 № 04 (838)

Четвертое, пятое... шестое?

К трем известным со школы состояниям вещества — твердому, жидкому и газообразному — наука не столь давно добавила еще два: нейтронное и плазму.

Список, однако, не исчерпан — природа изобретательна и совсем недавно полку состояний прибыло.

В июле 1995 года физики из Колорадо объявили о создании нового состояния вещества, которое называется конденсатом Бозе—Эйнштейна. Была лишь одна сложность: они узнали о новом веществе но некоторым косвенным признакам и не видели его воочию. Год спустя группа под руководством Вольфганга Кеттерле из Массачусетсского технологического института повторила результат коллег с фантастической наглядностью.

В начале двадцатых годов Альберт Эйнштейн и совсем молодой индийский физик Сатисндра Нат Бозе пришли к выводу, что некоторые газы, если их хорошенько заморозить — до миллионной доли градуса Кельвина,— теряют свойства газа и ведут себя, как нечто единое. Если говорить в терминах квантовой механики, волновые функции частиц (математическое представление их положения и других параметров) все больше расплываются, пока не перекроются полностью друг с другом. У элементарных частиц никогда нельзя точно определить координату и импульс, а лишь с некоторой вероятностью. Волновая функция — это и есть вероятность для частицы иметь какое-то значение координаты и импульса.

Все элементарные частицы обладают спином — собственным вращательным моментом. Они похожи на маленькие волчки и их поведение сильно зависит от величины этого самого спина. Компанейски ведут себя только частицы со спином единица — фотон, к примеру. Те, у кого спил не целый, а половинка, как у электрона, на такое единодушие никогда не способны. Наоборот, они просто не могут выносить друг друга — занимать одно и то же место в пространстве. Частицы с полуцелым спином называют фермионами. А бозоны (те, что подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна) стремятся в коллектив и только тепловое движение мешает им зажить дружно. Конденсацией же это явление называется по аналогии со слипанием при охлаждении капелек пара в жидкость.

Больше семидесяти лет красивую гипотезу не удавалось проверить, поскольку никто не мог охладить газ до столь низкой температуры. Но в 1995 году группа физиков под руководством Эрика Корнелла из американского Национального института стандартов и технологии и Карла Бимана из Колорадского университета удалось выполнить эту задачу при помощи комбинации магнитных полей и лазерного луча. Они охлаждали рубидий до тех нор, пока около двух тысяч его атомов не слиплись в нечто единое.

Физики использовали крошечный шарик рубидия, который окружало облачко его диффузных паров. Они охладили шарик и пары до ста семидесяти миллиардных долей градуса, а потом дошли до двадцати миллиардных градуса. Это в триста раз меньше, чем было когда-либо достигнуто в других лабораториях, — абсолютный рекорд температуры!

Атомы в конденсате объединены в нечто целое, как взвод солдат, подчиняющихся приказу невидимого командира.

• Пики на рисунке отражают три последовательных состояния пяти миллионов атомов натрия при их охлаждении до миллиардных долей градуса. Самый правый пик — холоднее всего.

• Одни из героев заметки — Эрик Корнелл (слева) и Карл Виман — у своей установки.

Нормальные атомы при комнатной температуре движутся со скоростями около двух тысяч километров в час, а охлажденные до рекордного холода замедлились до одного метра в секунду. Достигалось такое замедление тем, что атомы «обрабатывали» лучами лазера. Это позволило охладить их до двадцати миллионных градуса. После этого около десяти миллионов холодных атомов были заперты в магнитную ловушку и охлаждать дальше их стали, выкидывая самые «горячие» атомы, то есть самые быстрые. Этот процесс был очень похож на то, как дуешь на чашку с чаем, стараясь остудить ее содержимое: поток воздуха уносит самые энергичные молекулы воды, которым удается взлететь над поверхностью жидкости на самое большое расстояние. Остаются те, что «похолоднее». Вместо воздуха в эксперименте использовали специальные радиоволны.

Самые «холодные» атомы, к сожалению, имеют печальное свойство просто-напросто падать вниз из ловушки, и авторам открытия пришлось модернизировать ее так, чтобы не растерять драгоценные «ледышки».

К сожалению, экспериментаторы не могли наблюдать конденсат непосредственно — габаритами он был всего с десяток микронов. Они поступили по-другому: выключили свою магнитную ловушку и позволили облаку рубидиевых атомов расширяться. Когда стало возможно измерить размеры этою облака, они как бы запустили «кино назад» и рассчитали, какой был объем у облака в момент выключения поля. Расчеты показали, что в начале был конденсат.

Авторы сравнивают его с лазерным лучом. Обычный свет — это фотоны, летящие совершенно хаотичным образом, а лазерный луч — это тот же поток, только упорядоченный. Гак и атомы в конденсате: они объединены в нечто целое, как взвод солдат, подчиняющихся приказу невидимого командира.

Группа же Кеттерле в 1996 году получила гораздо более наглядные результаты — пять миллионов атомов натрия в течение двадцати секунд сохраняли форму карандаша длиной в полтораста и шириной около восьми микрон (этот «карандаш» хорошо виден на рисунке: три горки слева направо означают постепенное понижение температуры). Полученный объем был в тысячу раз больше, чем достигнутый их предшественниками. Исследователи направили на конденсат лазерный луч и наблюдали, что он отклоняет свет от прямого пути, как линза. До этого эксперимента было совершенно неясно, какими оптическими свойствами обладает конденсат — темный он или блестящий. Теперь очевидно, что прозрачный.

После такого успеха группа Кеттерле планирует заняться исследованием других свойств конденсата: померить в нем скорость звука и попытаться перевести его в возбужденное состояние. Что такое возбужденное состояние одиночного атома, всем хорошо известно, но вот чего ожидать от одновременного возбуждения пяти миллионов атомов — никто не может предсказать. А конденсат обязан вести себя, как единое целое. В мире атомов пришла пора коллективизации — что- то будет! •