«Мы собираемся изучать вещество при температурах, которые намного
ниже тех, что встречаются в природе», говорит ведущий учёный проекта
«Cold Atom Lab» — атомного «холодильника», который будет запущен на МКС в
1016 году, Роб Томпсон. «Мы намерены достичь температуры в 100
пикокельвин».
100 пикокельвин – это на одну десятимиллиардную долю градуса выше
абсолютного нуля, при котором внутри атомов останавливается любая
термическая активность. При таких низких температурах все привычные
концепции твёрдого, жидкого и газообразного вещества перестают быть
релевантными. Атомы, находящиеся над самым пределом нулевой энергии
создают новые формы материи, которые фактически являются… квантовыми.
В 1995 году исследователи обнаружили, что если взять несколько
миллионов атомов рубидия и охладить их почти до абсолютного нуля, они
сольются в единую волну материи. Этот же фокус работает с атомами
натрия. А в 2001 году Эрик Корнелл, Карл Вьюман и Вольфганг Кеттерль
разделили Нобелевскую премию за независимое открытие этих конденсатов,
существование которых Альберт Эйнштейн и Сатьендра Бозе предсказали ещё в
начале 20-го века.
Если вы создадите два конденсата Бозе-Эйнштейна и совместите их, они
не станут смешиваться, как обычные газы. Вместо этого они будут
«интерферировать» подобно волнам: тонкие параллельные слои вещества
будут разделяться тонкими слоями пустого пространства. Атом в одном КБЭ
может добавлять себя к атому в другом КБЭ и в результате порождать
полное отсутствие атома.
И космическая станция является лучшим местом для проведения таких
исследований. Микрогравитация позволяет учёным охлаждать вещества до
температур, намного более низких, чем это возможно на земле.
Томпсон объясняет, почему дела обстоят именно так:
«Это базовый принцип термодинамики: когда газ расширяется, он
охлаждается. Каждый из нас знаком с этим явлением – если вы распылите
баллон аэрозоля, баллон станет холодным. Квантовые газы ведут себя во
многом сходным образом. Только вместо аэрозольных баллонов мы имеем
«магнитные ловушки». И на МКС такие ловушки можно делать очень слабыми,
потому что им не надо помогать атомам преодолевать силы гравитации. Эти
слабые ловушки позволят газам расширяться и охлаждаться до гораздо более
низких температур, чем те, которые можно получить на земле».
Никто не знает, к чему приведёт этот эксперимент. Даже «практические»
применения таких исследований, на которые указывает Томпсон – а это
квантовые сенсоры, интерферометры волновой материи, и атомарные лазеры,
звучат как научная фантастика. «Мы входим в неизвестные нам воды»,
говорит он.
Исследователи вроде Томпсона считают, что Cold Atom Lab – это двери в
квантовый мир. Но могут ли эти двери открываться в обе стороны? Если
удастся опустить температуру достаточно низко, «мы сможем собрать пакеты
атомных волн толщиной с человеческий волос – то есть достаточно
большие, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом». Другими
словами, порождение квантовой физики войдёт в наш макроскопический мир.
И вот тогда-то и начнётся самое интересное.
