Закон квантовых частиц в сверхзвуковой физике

В мире больших масштабов, вещества проходят через фазовые изменения:  (например) вода превращается в лёд или пар. Это обычное поведение для больших масс молекул, но никогда таких переходов не бывает в крошечных кластерах.

Впервые учёные стали свидетелями этих фазовых переходов в микро-системах, состоящих всего лишь из семи лёгких частиц (фотонов). Квантовые частицы приобрели экзотическое состояние, известное в физике как конденсат Бозе-Эйнштейна. Такого физического состояния вещество может достигать при ультрахолодных температурах: тогда частицы начинают  действовать в унисон, как единое целое.

Закон квантовых частиц в сверхзвуковой физике

Поскольку фотоны  (пучки света) сделаны из энергии, а не из материи, то такие изменения фаз кажутся странными. Но ещё в 2010 году команда немецких исследователей показала, что лёгкие частицы могут вести себя так, как будто имеют вес, подобно материальным частицам.

Для эксперимента исследователи построили небольшую зеркальную камеру и наполнили её цветной краской. Когда лёгкие частицы врезались в частицы красителя, то краситель поглощал их, а затем вновь излучал, но это фактически замедляло движение фотонов: им требовалось больше времени для перемещения по камере. Когда фотоны достигали зеркальной стены камеры, то отскакивали от неё, не будучи поглощаемыми. Физики обнаружили, что фотоны взаимодействуют друг с другом и ведут себя так, как материя — узнаваемое поведение для частиц, имеющих вес.

Чтобы выяснить, каким должно быть минимальное количество фотонов, необходимых для такого поведения, исследователи использовали тонкоизмеряющий лазер. Они закачивали фотоны в аналогичную заполненную красителем зеркальную ловушку по одному за раз и наблюдали, как проявляется КБЭ. Оказалось, что требуется всего 7 фотонов, чтобы образовался вес — фотоны начали действовать как одна частица (как единое целое). Это подсчёт частиц определил необходимый уровень для фазового перехода.

Исследователи также отметили, что существуют некоторые различия между  фазовыми переходами с участием микро и более крупных групп частиц. Когда лёд нагревается до точки плавления, то переход из твёрдой фазы в жидкую форму происходит мгновенно, без какой-либо промежуточной стадии. То же самое верно для фазовых переходов большинства химических веществ. Но семифотонный BEC формировался более постепенно, а не все сразу.

Тем не менее,  фазовый переход фотонов показал, что даже в очень малых масштабах фазовые переходы замечательно похожи на то, что мы наблюдаем при больших масштабах.