Состояние вещества, которое называется Конденсат Бозе-Эйнштейна

Из пяти состояний, в которых вещество может находится (газ, жидкость, твёрдое тело, плазма), самым загадочным для материи является состояние, которое называется конденсат Бозе-Эйнштейна. Газы, жидкости, твёрдые тела и плазма хорошо изучены нами, но вот Конденсат Бозе-Эйнштейна оставался неизученным до 1990-х годов.

Конденсат Бозе-Эйнштейна возникает, если группу атомов охладить практически до абсолютного нуля. Когда атомы достигают этой температуры,  они едва движутся относительно друг друга; у них почти нет свободной энергии. В этот момент атомы начинают сжиматься воедино и становятся идентичными с физической точки зрения — вся группа начинает вести себя так, как если бы это был один атом.

Чтобы получить конденсат Бозе-Эйнштейна, исследователи начали эксперименты с облака атомов рубидия. Охлаждение проводили с помощью лазеров, используя лучи для отвода энергии от атомов. После этого, чтобы охладить их дальше, учёные использовали испарительное охлаждение. «Для конденсата Бозе-Эйнштейна начинают с неупорядоченного состояния, где кинетическая энергия больше потенциальной энергии» — сказал Xuedong Hu, профессор физики Университета Буффало. «Вы охлаждаете его, но он не образует сплошной решётки».

Вместо этого атомы попадают в квантовые состояния и становятся неотличимыми друг от друга. В этот момент атомы начинают подчиняться так называемой статистике Бозе-Эйнштейна; они обычно применяются к таким частицам, как фотоны, например.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна впервые были предсказаны (теоретически) Сатиендрой Нат Бозе (1894-1974), индийским физиком, который также открыл субатомную частицу, названную бозоном. Он работал над статистическими проблемами в квантовой механике и отправлял свои идеи Альберту Эйнштейну. Эйнштейн посчитал их достаточно важными для публикации. Эйнштейн видел, что теорию Бозе, позже известную как статистика Бозе-Эйнштейна, можно применить как к атомам, так и к свету.

Обычно атомы должны обладать определёнными энергиями — на самом деле одной из основ квантовой механики является то, что энергия атома или  субатомной частицы не может быть произвольной. Электроны, например, имеют дискретные «орбитали», которые они должны занять; вот почему они выделяют фотоны определённых длин волн, когда падают с одного  энергетического уровня на другой. Но охладить атомы до миллиардных долей абсолютного нуля, когда атомы начинают падать на один и тот же энергетический уровень и становятся неразличимыми, в лабораторных условиях не удавалось в те времена.

Атомы в бозе-эйнштейновском конденсате ведут себя как «супер атомы». Когда кто-то пытается измерить уровень, где они находятся, вместо этого, можно видеть дискретные атомы в виде большого нечёткого шара.

Состояние вещества, которое называется Конденсат Бозе-Эйнштейна

«Суперфотон», создан тогда, когда физики превращали фотоны света в состояние материи, называемое бозе-эйнштейновским конденсатом

Другие состояния материи следуют принципу исключения Паули, названному в честь физика Вольфганга Паули. Паули (1900-1958) был австрийским швейцарским и американским физиком-теоретиком и одним из пионеров квантовой физики. Правило говорит, что фермионы (виды частиц, которые составляют материю) не могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. Вот почему, когда два электрона находятся на одной орбите, их спины должны быть противоположными: они складываются до нуля. Это, в свою очередь, является одной из причин, почему химия работает так, как она работает, и одна из причин, по которой атомы не могут одновременно занимать одно и то же пространство. Конденсаты Бозе-Эйнштейна нарушают этот принцип.

Хотя теоретически знали, что такие состояния материи должны существовать, но только в 1995 году Эрику А. Корнеллу и Карлу Э. Виману, из Объединённого института лабораторной астрофизики (JILA) в Боулдере, Колорадо и Вольфгангу Кеттерле, Массачусетский технологический институт, удалось воспроизвести это состояние, за что и получили Нобелевскую премию по физике в 2001 году.

В июле 2018 года эксперимент был проведён на борту Международной космической станции: облако атомов рубидия охладили до десятимиллионной степени выше абсолютного нуля, создав конденсат Бозе-Эйнштейна в космосе. В ходе эксперимента велась запись процесса получения самого холодного объекта, который мы знаем в космосе, хотя это ещё не самая холодная вещь, которую когда-либо создавало человечество.