В четверг, 24 ноября, в одном из самых престижных научных журналов - Nature - появилась статья ученых, которым впервые удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна на основе фотонов. Вероятнее всего, большинству читателей предыдущее предложение ни о чем не сказало - и не удивительно. Конденсат Бозе-Эйнштейна - это очень специфическая, но невероятно интересная форма вещества, которую иногда называют его пятым состоянием, приравнивая к твердому, жидкому, газообразному и плазме. Когда вещество находится в этом состоянии, в нем начинают на макроуровне проявляться квантовые эффекты - фактически, конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой большую (очень большую) квантовую частицу.
Теория
Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) на основе фотонов - это весьма "продвинутый" вариант КБЭ, и очень долго считалось, что его нельзя получить в принципе. Но прежде чем рассказать о нем, стоит пояснить, а что вообще такое конденсат Бозе-Эйнштейна. Родиной этого понятия может считаться Индия – именно там большую часть времени жил и работал человек, впервые указавший на возможность существования неизвестного ранее состояния материи. Этого человека звали Шатьендранат Бозе, и он был одним из отцов-основателей квантовой механики.
Чтобы отметить научные заслуги Бозе, в его честь был назван один из типов элементарных частиц – бозоны. К бозонам относятся, например, фотоны - переносчики электромагнетизма, и глюоны, которые переносят сильное взаимодействие и определяют притяжение друг к другу кварков. Знаменитый бозон Хиггса, ради поисков которого был создан Большой адронный коллайдер, тоже относится к этой категории элементарных частиц.
Принадлежность частицы к бозонам определяется по ее спину – собственному моменту импульса элементарных частиц (иногда понятие спина определяют как вращение частицы вокруг собственной оси, но такое представление слишком упрощает ситуацию). Спин бозона всегда целый - то есть выражается целым числом. У другой разновидности элементарных частиц - фермионов - спин полуцелый.
Фермионы (слева) выстраиваются "в линейку" по энергиям квантовых уровней, а бозоны (справа) могут скапливаться на уровне с наименьшей энергией. Изображение выпуска 23 бюллетеня ПерсТ за 2003 год
Бозоны и фермионы отличаются друг от друга не только значением спина - эти частицы несходны по целому ряду фундаментальных свойств. В частности, бозоны могут не подчиняться так называемому принципу, или запрету, Паули, который постулирует, что две элементарные частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Квантовые состояния отличаются друг от друга по энергиям, и при низких температурах фермионы (которые строго соблюдают запрет Паули) поочередно заполняют последовательные состояния. Первыми занимаются состояния с наименьшей энергией (самые "ненапряжные" для частиц), а последними – с самой высокой энергией. Нагляднее всего это свойство фермионов выстраиваться в линейку по квантовым состояниям заметно при низких температурах, когда поведение системы не маскируется за счет температурных флуктуаций.
Бозоны при низких температурах ведут себя иначе - они не ограничены запретом Паули и поэтому стремятся по возможности занять самые удобные места, то есть квантовые уровни с наименьшей энергией. В итоге при охлаждении бозонов происходит следующее: они начинают двигаться очень медленно - со скоростями порядка нескольких миллиметров в секунду, очень тесно "прижимаются" друг к другу, "соскакивают" в одно и то же квантовое состояние и в конце концов начинают вести себя скоординировано - так, как вела бы себя одна гигантская квантовая частица.
Именно о такой трансформации, которая должна происходить с бозонами при температурах, близких к абсолютному нулю, Шатьендранат Бозе написал в начале 1920-х годов Альберту Эйнштейну. Бозе собирался послать свои выкладки в журнал Zeitschrift fur Physik , но Эйнштейн так вдохновился идеями индийского коллеги, что немедленно сам перевел его статью с английского на немецкий и отправил в редакцию. Создатель общей и специальной теорий относительности развил соображения Бозе (индус рассматривал только фотоны, а Эйнштейн дополнил теорию Бозе для частиц, обладающих массой) и изложил свои выводы еще в двух статьях, которые также были опубликованы в Zeitschrift fur Physik .
Практика
Таким образом, теория КБЭ была, в общем и целом, разработана в первой трети XX века, но получить вещество в этом состоянии ученым удалось только через 70 лет. Причина задержки проста - для того чтобы бозоны начали вести себя как единая квантовая система, их нужно охладить до температуры, отличающейся от абсолютного нуля (минус 273,15 градуса Цельсия) на несколько миллионных долей градуса. Долгое время физики просто не умели добиваться столь низких температур. Вторая сложность заключалась в том, что многие вещества при приближении к абсолютному нулю начинают вести себя как жидкости, а для получения КБЭ необходимо, чтобы они оставались "газами" (слово "газ" взято в кавычки, так как при сверхнизких температурах частицы вещества теряют подвижность - один из основополагающих признаков газа).
В середине 1990-х годов было показано, что щелочные металлы натрий и рубидий при охлаждении сохраняют "правильные" свойства, а значит, теоретически могут перейти в состояние КБЭ (и изотоп рубидия-87, и единственный изотоп натрия-23 имеют целые атомные спины и являются так называемыми составными бозонами). Для того чтобы понизить температуру атомов рубидия до требуемых сверхнизких значений, исследователи Эрик Корнелл (Eric A. Cornell) и Карл Вимен (Carl Wieman) из JILA - объединенного института Национального института стандартов и технологии США (NIST) и университета штата Колорадо в Боулдере - использовали лазерное охлаждение вместе с охлаждением испарением.
При помощи лазеров атомы охлаждаются так: атом поглощает движущиеся ему навстречу фотоны и затем испускает излучение. При этом происходит постепенное замедление атома, а температура совокупности атомов, соответственно, понижается. Однако одного лазерного охлаждения недостаточно для достижения температур, при которых возможен переход в состояние КБЭ. "Убрать" лишние доли градуса можно, если изъять из смеси самые быстрые атомы (по такому же принципу охлаждается чашка чая, оставленная на столе).
Согласно принципу квантово-волнового дуализма, объекты микромира могут вести себя и как частицы и как волны. Чтобы вещество перешло в состояние КБЭ, его атомы должны сблизиться на расстояние, сравнимое с их длиной волны. Тогда волны начинают взаимодействовать, и поведение отдельных частиц становится скоординированным.
В 1995 году ученым из JILA удалось охладить около 2 тысяч атомов рубидия-87 до температуры 20 нанокельвинов (один нанокельвин – это 1x10 -9 кельвина), и в итоге они перешли в состояние КБЭ. В экспериментальной камере конденсат удерживался при помощи магнитной ловушки особой конструкции. Через четыре месяца после того, как группа Корнелла и Вимена опубликовала результаты своих опытов, появилась статья физика Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института (MIT), который сумел получить КБЭ на основе атомов натрия. Кеттерле использовал несколько иной принцип удержания атомов в магнитной ловушке, и ему удалось перевести в "пятое состояние материи" намного больше атомов, чем его коллегам из JILA. В 2001 году все трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физике.
С 1995 года получением и изучением КБЭ занялось множество групп физиков, которые исследовали возникающие в нем завихрения, интерференцию волн между конденсатами и много чего другого. В 2009 году ученым впервые в это состояние атомы кальция - возникающая волновая картина для этого элемента заметно более четкая, чем для щелочных металлов. В 2003 году группа Кеттерле смогла создать аналог лазера из КБЭ и даже получить КБЭ из фермионов. Наконец, в 2010 году был впервые - долгое время многие физики были уверены, что это принципиально невозможно.
В частности, специалисты полагали, что кванты света будут поглощаться стенками экспериментальной камеры и "ускользать" от экспериментаторов. Для того чтобы поймать, охладить и удержать достаточное для получения и изучения КБЭ количество фотонов, ученые из университета Бонна использовали два изогнутых зеркала, расстояние между которыми составляло около 1,5 микрометров - это сравнимо с длиной волны фотонов, находящихся в квантовом состоянии с минимальной энергией.
Метод лазерного охлаждения для фотонов неприменим - они слишком слабо взаимодействуют друг с другом, поэтому исследователи охлаждали их при помощи специального красителя, который поглощал и испускал кванты света. Фотоны сталкивались с его молекулами и постепенно их температура выравнивалась с температурой красителя. В отличие от атомов, для получения КБЭ на основе фотонов их не нужно охлаждать до нуля кельвинов - переход происходит уже при комнатной температуре. Сами фотоны исследователи "закачивали" в щель при помощи лазера. Переход в состояние КБЭ происходил, когда число фотонов приближалось к 60 тысячам.
У читателей может возникнуть вопрос, а зачем ученые возятся с этим непонятным КБЭ. То есть чисто фундаментальный интерес физиков "пощупать" и непосредственно увидеть проявление закономерностей квантовой механики понятен, но есть ли у "пятого состояния" какое-нибудь полезное практическое применение? Как и в случае с другими физическими открытиями, такой вопрос преждевременен - вряд ли ученые, исследовавшие свойства радиоактивного распада или электронов, могли предсказать, насколько масштабными окажутся последствия их работ.
Во-первых, рано или поздно инженеры придумывают новые приборы, в которых изучаемые объекты используются непосредственно и которые не могли быть изобретены до того, как физики описали свойства этих объектов. А во-вторых, исследование новых явлений расширяет представления людей о физике и позволяет в будущем открывать и объяснять другие неизвестные ранее явления, которые лягут в основу новых приборов и технологий, и так далее.
На данный момент одним из наиболее очевидных практических применений КБЭ считается создание на его основе сверхточных детекторов - например, детекторов магнитного или гравитационного полей. Более детальные предсказания можно будет делать по мере дальнейшего изучения свойств КБЭ, которое продвигается очень-очень быстро.
Помимо известных каждому семикласснику трех агрегатных состояний вещества (твердое тело, жидкость и газ), существуют и другие агрегатные состояния. Одним из них является конденсат Бозе — — состояние материи, которое достигается при температурах, близких к абсолютному нулю. В этом состоянии вещество начинает проявлять различные интересные свойства, например группа частиц ведет себя, как одиночная частица. Возможность такого состояния была предсказана в 1925 году Альбертом Эйнштейном. В 1995 году американские физики Эрик Корнелл и Карл Виман поставили эксперимент, в ходе которого получили бозе-эйнштейновский конденсат (за это открытие они в 2001 году вместе с немцем Вольфгангом Кеттерле получили Нобелевскую премию).
В своем эксперименте ученые использовали атомы металла (рубидия). А вот идея создать конденсат Бозе-Эйнштейна из других частиц, в частности фотонов, чтобы система вела себя как один «суперфотон», натолкнулась на фундаментальную проблему. Дело в том, что фотоны, хотя и обладают свойствами частиц, при охлаждении поглощались окружающими материалами, проявляя тем самым свою волновую природу.
Физикам из Боннского университета во главе с Мартином Вейтцем удалось решить эту проблему.
Причем они создали конденсат Бозе-Эйшнтейна при комнатной температуре.
В одном из описаний этой работы присутствует, например, такое словосочетание, как «маленькая сенсация». Зоран Хаджибабич из Кембриджского университета сказал New Scientist , что работа немецких ученых, которая опубликована в Nature , «замыкает круг, который теоретически начали рисовать Бозе и Эйнштейн 85 лет назад».
Volker Lannert, University of Bonn
Восхищения заслуживает и простота экспериментальной установки немецких физиков. В своем эксперименте они использовали два вогнутых зеркала высокой отражающей способности, удаленные друг от друга на расстояние 1 микрон (10 -6 метра). Зеркала были помещены в «краситель» — жидкую органическую среду красного цвета. В эту среду экспериментаторы импульсно пускали лучи зеленого лазера. Свет, многократно отражаясь от зеркал, проходил через «краситель». При этом молекулы «красителя» поглощали лазерные фотоны и переизлучали их с более низкой энергией, в желтой области видимого цвета. То есть ученые достигли в своей ловушке равновесного энергетического состояния фотонов при комнатной температуре.
«В ходе этого процесса фотоны охладились до комнатной температуры и при этом они «не потерялись», — объяснил Мартин Вейтц.
Увеличив количество фотонов в установке (для этого нужно было сделать лазер поярче), ученые добились плотности около триллиона фотонов на кубический сантиметр. При такой плотности появились фотоны, которые не могли поучаствовать в энергетическом равновесии. Эти избыточные фотоны одновременно перешли в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна, сконденсировались в один большой «суперфотон». «Все фотоны начали идти нога в ногу», — так прокомментировал Вейтц это явление.
По сравнению с формированием конденсата Бозе — Эйнштейна из охлажденных атомов рубидия нынешний эксперимент кажется до смешного простым», — заявил Nature News Матиас Вейдемюллер из университета Фрайберга. Он считает, что методика конденсации света, предложенная немецкими учеными, может быть особенно эффективной для сбора и фокусировки солнечных лучей в солнечных батареях в пасмурную погоду, когда нет возможности собирать прямое освещение.
Кроме того, эта схема может позволить создать новые источники коротковолнового лазерного излучения, в частности рентгеновского.
Сам Вайтц считает, что работа его и коллег может помочь в дальнейшем уменьшить размеры электронных устройств, в частности компьютерных микрочипов. Это, в свою очередь, может позволить создать компьютеры нового поколения, с большей производительностью, чем нынешние.
Ну а Вольфганг Кеттерле, один из лауреатов Нобелевской премии за получение конденсата Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия, заявил: «Когда я читаю лекции, то рассказываю студентам, почему бозе-эйнштейновский конденсат не может быть получен с использованием фотонов, чтобы показать фундаментальное различие между фотонами и атомами. Но теперь это различие исчезло».
Таким образом, КБЭ, как и любое другое вещество, состоит из отдельных атомов, но, в отличие от обычного вещества, атомы теряют в нем свою индивидуальность . Становится невозможным отличить часть от целого, и по сути получается конгломерат атомов, обладающий квантовыми свойствами одного отдельно взятого атома. Этот гигантский квази-атом больше обычного в 100 тысяч раз и даже крупнее человеческой клетки. Благодаря своим размерам, КБЭ дает экспериментаторам уникальную возможность непосредственно проверять на практике теоретические положения квантовой механики: в современной науке он выполняет ту же роль, что и яблоки - в ньютоновские времена.
Впервые вещество,
обладающее свойствами КБЭ, было получено в 1938 году. Советский физик
Петр Капица
и канадец Джон Аллен
охладили гелий-4 до
температуры ниже 2.2 кельвина, в результате чего этот газ приобрел
свойства сверхтекучей жидкости, совершенно не имеющей вязкости.
Сверхтекучий гелий
демонстрирует необычные свойства: он может
выливаться вверх из открытого контейнера (см. ниже фото) или растекаться по
вертикальным стенам. Сверхтекучесть в гелии происходит благодаря
тому, что часть атомов гелия, до 10 процентов, превращается в
КБЭ.
В лазерной
технике
также используются свойства КБЭ путем синхронизации волн
фотонов, которые по определению являются бозонами. В процессе получения
лазерного луча используется предрасположенность бозонов к концентрации в
единое квантовое состояние.
Другая сфера применения КБЭ - сверхпроводники . Сверхпроводимость достигается путем низкотемпературной конденсации электронов в пары. Парные связки электронов образуются только в определенных веществах при определенных условиях, например, в алюминии, охлажденном до 1.2 кельвина. Одиночные электроны не могут использоваться для получения КБЭ, потому что они представляют собой несовместимые по волновым функциям фермионы, но когда они объединяются в пары, в результате получаются бозоны, которые немедленно конденсируются в КБЭ. (Подобный процесс спаривания и конденсации происходит в сверхтекучем гелии-3, атомы которого являются фермионами).
Наконец, свойства КБЭ наблюдаются в экситоне (от лат. excito - возбуждаю ). Это квазичастица, которая представляет собой связанное состояние электрона и так называемой "дырки" - отсутствующего электрона в узле кристаллической решетки полупроводника. В такую пару могут на короткое время объединяться генерируемые лазерным импульсом электрон и дырка, которая ведет себя как положительно заряженная частица. В 1993 году физики наблюдали образование из экситонов кратковременного газообразного конденсата в полупроводнике на основе окиси меди.
Однако, феномен КБЭ в чистом виде был экспериментально продемонстрирован сравнительно недавно. В 1995 году группа физиков - нынешних нобелевских лауреатов - произвела этот конденсат при помощи атомных ловушек с использованием лазерных лучей и магнитных полей, в которых атомы рубидия были охлаждены до сверхнизкой температуры в несколько сот нанокельвинов. Вслед за этим группы ученых во всем мире произвели множество экспериментов с КБЭ, в которых на него воздействовали лазерными лучами, звуковыми волнами, магнитными полями и т.д. В частности, при прохождении лазерного луча через газовый конденсат было достигнуто замедление скорости света до скорости движения пешехода (метр в секунду). Полученные результаты в основном соответствовали ожидаемым в соответствии с постулатами квантовой механики. Таким образом, было положено начало переходу от квантовой теории к квантовой практике.
В ближайшем будущем можно ожидать широкое внедрение КБЭ в технологию точных измерений, что сделает возможным создание сверхточных приборов наведения и ориентации, гравитометров, систем определения положения самолетов и космических кораблей с точностью до нескольких сантиметров. Другая перспективная область внедрения КБЭ - нанотехнология, обещающая появление нано-роботов, способных собирать молекулы любого вещества из отдельных атомов, и сверхмощных квантовых компьютеров.
Основным инструментом внедрения феномена КБЭ в технический прогресс станет, по всей видимости, АТОМНЫЙ ЛАЗЕР . Это устройство представляет собой материальный аналог оптического лазера. То есть, вместо луча света генерируется направленный "луч" материального вещества. Такой луч представляет собой когерентный, свободно движущийся поток газового концентрата. Термин "когерентный" в данном случае означает, что все атомы в луче движутся квантово-синхронно, то есть их волновые функции взаимно упорядочены.
Первый атомный лазер был создан в 1997 году группой Вольфганга Кеттерля и приводился в действие силой гравитации. Содовый концентрат облучали радиоимпульсами, под воздействием которых часть атомов меняла свой спин. На атомы с измененным спином не распространялось действие ловушки, и они в буквальном смысле слова выпадали из нее. Фактически, такой атомный лазер больше напоминал не луч света, а струю воды, льющуюся из крана.
В 1998 году Теодор Хёнш из Мюнхенского университета продемонстрировал подобную систему, в которой был задействован непрерывный поток атомов рубидия. Рубидиевый атомный луч был в миллион раз ярче всех ему подобных. Примерно в то же время Вилльям Филлипс и Стивен Ролстон из Национального института стандартов и технологий создали, наконец, атомный лазер, луч которого можно было посылать в любом направлении, а не только вниз. В своей конструкции они использовали оптические лазеры, выбивающие из конденсата атомы через вращающуюся дыру на краю ловушки - так называемый "круг смерти". С помощью определенной последовательности лазерных импульсов, тщательно синхронизированных с кругом смерти, ученые получили когерентный, интенсивный и непрерывный поток атомов - аналог яркого луча оптического лазера.
В настоящее время атомные лучи уже используются в ряде научных и промышленных приборов, в частности, в атомных часах, в высокоточных измерительных инструментах для определения фундаментальных констант и в производстве компьютерных чипов. Однако можно предположить, что широкое внедрение атомных лазеров займет довольно долгое время, судя по тому, что между изобретением оптического лазера и его повсеместным применением в бытовой технике прошло 30 лет. Основная проблема использования атомного лазера заключается пока что в том, что его луч распространяется только в вакууме.
Среди научно прогнозируемых сфер применения атомного лазера на грани фантастики - атомная голография . Теоретически возможно создание в будущем атомно-лазерных принтеров и факсов, которые позволят распечатывать и передавать на большие расстояния не плоские изображения объектов, но их материальные трехмерные модели.
Биографы в большинстве своём игнорируют последние 30 лет жизни Эйнштейна, рассматривая их как нечто неловкое, недостойное гения, как пятно на его во всём остальном кристально чистой истории. Однако научный прогресс последних десятилетий позволил нам совершенно по-новому взглянуть на наследие Эйнштейна. Дело в том, что его работа была настолько фундаментальной, так перевернула само основание человеческого знания, что влияние Эйнштейна до сих пор ощущается в физике. Многие семена, посеянные Эйнштейном, прорастают только сейчас, в XXI веке, прежде всего потому, что наши инструменты - космические телескопы, рентгеновские космические обсерватории, лазеры - стали достаточно мощными и чувствительными, чтобы проверить самые разные его предсказания, сделанные несколько десятилетий назад.
Можно утверждать, что крошки со стола Эйнштейна помогают сегодня учёным выиграть Нобелевскую премию. Более того, с появлением теории суперструн эйнштейнова концепция обобщения всех сил, служившая когда-то объектом осмеяния и пренебрежительных комментариев, в наше время выходит на центральное место в мире теоретической физики. В этой главе обсуждаются новые достижения в трёх областях, где наследие Эйнштейна продолжает жить и править миром физики: это квантовая теория, общая теория относительности и космология, а также единая теория поля.
В 1924 году, когда Эйнштейн только написал работу по конденсату Бозе - Эйнштейна, он не думал, что это занятное явление будет обнаружено в сколько-нибудь обозримом будущем. Ведь для того чтобы все квантовые состояния коллапсировали в гигантский суператом, необходимо было охладить материалы почти до абсолютного нуля.
В 1995 году, однако, Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологии и Карл Виман из Университета Колорадо сделали именно это, получив чистый конденсат Бозе - Эйнштейна из 2000 атомов рубидия при температуре на двадцать миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Кроме того, Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института независимо от них тоже получил конденсат Бозе - Эйнштейна, в котором было достаточно атомов натрия, чтобы проводить на нём важные эксперименты. Он доказал, что эти атомы демонстрируют интерференционную картину, соответствующую состоянию, когда атомы скоординированы друг с другом. Иными словами, они вели себя как суператом, предсказанный Эйнштейном более 70 лет назад.
Практическое применение конденсата Бозе - Эйнштейна ещё впереди, пока идёт лишь процесс осознания
После первоначального объявления открытия в этой быстро развивающейся области посыпались как из рога изобилия. В 1997 году в МТИ Кеттерле с коллегами создали первый в мире «атомный лазер» с использованием бозе-эйнштейновского конденсата. Как известно, удивительные свойства лазерному свету придает то, что фотоны движутся в унисон друг с другом, тогда как обычный свет хаотичен и некогерентен. Поскольку вещество тоже обладает волновыми свойствами, рассуждали физики, поток атомов можно сделать когерентным; однако прогресс в этом направлении стопорился из-за отсутствия бозе-эйнштейновского конденсата. Теперь же физики достигли своей цели тем, что сначала охладили набор атомов и превратили их в конденсат, а затем направили на этот конденсат лазерный луч, который выстроил из атомов синхронизированный пучок.
В 2001 году Корнелл, Виман и Кеттерле были удостоены Нобелевской премии по физике. Нобелевский комитет наградил их «за экспериментальное наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах атомов щелочных металлов и за первые фундаментальные исследования свойств таких конденсатов». Практическое применение конденсата Бозе - Эйнштейна ещё впереди, пока идёт лишь процесс осознания. Лучи атомных лазеров могли бы оказаться в будущем ценным инструментом в применении к нанотехнологиям. Возможно, они позволят манипулировать отдельными атомами и создавать слои атомных плёнок для полупроводников в компьютерах будущего.
Помимо атомных лазеров некоторые учёные говорят о построении квантовых компьютеров (компьютеров, вычисляющих при помощи отдельных атомов) на основе бозе-эйнштейновского конденсата, которые со временем могли бы заменить обычные кремниевые компьютеры. Другие говорят о том, что скрытая масса, или тёмная материя, может отчасти состоять из бозе-эйнштейновского конденсата. Если это так, то именно в этом странном состоянии может находиться бо́льшая часть вещества Вселенной.
Кроме того, деятельность Эйнштейна вынудила квантовых физиков заново обдумать свою преданность первоначальной копенгагенской интерпретации этой теории. Ещё в 1930–1940-е годы, когда квантовые физики радостно хихикали за спиной Эйнштейна, игнорировать этого гиганта современной физики было совсем несложно, ведь значительные открытия в квантовой физике делались едва ли не ежедневно. Кто готов был тратить время на проверку фундаментальных положений квантовой теории, когда физики спешили собирать Нобелевские премии как яблоки с ветки? Проводились сотни расчётов по свойствам металлов, полупроводников, жидкостей, кристаллов и других материалов, результаты которых легко могли привести к созданию целых промышленных отраслей. На остальное просто не было времени. Вследствие этого физики десятилетиями просто привыкали к интерпретациям копенгагенской школы, «заметая под ковёр» не имеющие ответа глубокие философские вопросы. Споры Бора с Эйнштейном были забыты. Однако сегодня, когда на многие «простые» вопросы о веществе получены чёткие ответы, гораздо более сложные вопросы, поднятые Эйнштейном, по-прежнему остаются без ответа. В частности, по всему миру проводятся десятки международных конференций, на которых физики заново рассматривают проблему кота Шрёдингера, упомянутую в 7-й главе. Теперь, когда экспериментаторы научились манипулировать отдельными атомами, проблема кота перестала носить чисто академический характер. Более того, от её решения может зависеть конечная судьба компьютерных технологий, которыми определяется значительная доля мирового богатства, поскольку компьютеры будущего, возможно, будут работать на транзисторах, построенных из отдельных атомов.
Мы живём по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись
Сегодня признаётся, что из всех альтернативных вариантов копенгагенская школа Бора предлагает наименее привлекательный ответ на проблему кота, хотя до сих пор никаких экспериментальных отклонений от первоначальной боровской интерпретации не обнаружено. Копенгагенская школа постулирует существование «стены», отделяющей повседневный макроскопический мир деревьев, гор и людей, который мы видим вокруг себя, от загадочного контринтуитивного микроскопического мира квантов и волн. В микроскопическом мире элементарные частицы существуют в промежуточном состоянии между бытием и небытием. Однако мы живём по другую сторону стены, где все волновые функции уже схлопнулись, поэтому наша макроскопическая вселенная кажется нам стабильной и вполне определённой. Иными словами, наблюдателя от наблюдаемого объекта отделяет стена.
Некоторые физики, включая нобелевского лауреата Юджина Вигнера, пошли ещё дальше. Ключевой элемент наблюдения, подчёркивал Вигнер, - это сознание. Чтобы провести наблюдение и определить реальность кота, необходим наделённый сознанием наблюдатель. Но кто наблюдает за наблюдателем? Наблюдателю тоже необходим свой наблюдатель (именуемый «другом Вигнера»), который определил бы, что наблюдатель жив. Но это подразумевает существование бесконечной цепочки наблюдателей, каждый из которых наблюдает за соседом и определяет, что предыдущий наблюдатель жив и здоров. Для Вигнера это означало, что где-то существует, возможно, некое космическое сознание, определяющее природу самой Вселенной! Он писал: «Само изучение внешнего мира привело к выводу о том, что содержимое сознания и есть конечная реальность». Кое-кто утверждал в связи с этим, что это доказывает существование Бога, некоего космического сознания, или то, что сама Вселенная каким-то образом обладает сознанием. Как сказал однажды Планк, «наука не в состоянии разрешить конечную загадку Природы. А всё потому, что в конечном итоге мы сами являемся частью загадки, которую пытаемся разрешить».
За прошедшие десятилетия были предложены и другие интерпретации. В 1957 году Хью Эверетт, в то время аспирант физика Джона Уилера, предложил, возможно, самое радикальное решение проблемы кота - «многомировую» теорию, согласно которой все возможные вселенные существуют одновременно. Кот в самом деле может быть мёртвым и живым одновременно, потому что сама Вселенная расщепилась надвое. Следствия из этой идеи, откровенно говоря, неуютны, поскольку при этом подразумевается, что Вселенная постоянно, каждое квантовое мгновение раздваивается, образуя бесконечное число квантовых вселенных. Сам Уилер, поначалу горячо поддержавший идею своего студента, позже отказался от неё, заявив, что с таким подходом связано слишком много «метафизического багажа». Представьте, к примеру, космический луч, пронзающий в подходящий момент чрево матери Уинстона Черчилля и вызывающий выкидыш. Таким образом, одно квантовое событие отделяет нас от вселенной, в которой Черчилль, способный поднять народ Англии и всего мира на борьбу с убийственными силами Адольфа Гитлера, попросту не родился. В той параллельной вселенной нацисты, возможно, выиграли Вторую мировую войну и поработили значительную часть мира. Или представьте себе мир, где солнечный ветер, запускаемый квантовыми событиями, сбил с пути ту комету или метеорит, который 65 млн лет назад угодил в мексиканский полуостров Юкатан и стёр с лица Земли динозавров. В той параллельной вселенной человек не появился вовсе и Манхэттен, где я сейчас живу, населен неистовыми динозаврами.
Стоит произнести «квантовая механика», как нам представляются элементарные частицы, атомы или что‑то подобное. На самом деле, формулы квантовой механики вполне применимы к макроскопическим телам. Главное, чтобы эти тела не взаимодействовали с внешним миром, чтобы они были идеально изолированы от него.
Неслучайно особый интерес ученых в последнее время вызывают макроскопические объекты, которые ведут себя по законам квантового мира. Пример тому – конденсат Бозе – Эйнштейна, крохотное облачко из множества атомов, охлажденных до сверхнизкой температуры – до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, когда тепловое движение практически замирает. Подобное облачко, находясь в магнитной ловушке, ведет себя буквально как один огромный «атом». Отдельные атомы, составившие его, теряют свободу; они перестают быть независимы друг от друга. «Атомы шагают в ногу», – как было метко сказано в одной из статей, посвященных данному явлению. Образовавшийся макроскопический квантовый объект достигает в поперечнике нескольких микрометров; он во много раз больше обычного атома. Теперь этот объект как единое целое реагирует на любые воздействия, хотя между отдельными его атомами почти не действуют никакие связывающие их силы.
Охлажденное до невероятной температуры облачко атомов начинает «шагать в ногу» – возникает конденсат Бозе – Эйнштейна
Причудливый мир атомов. Слева: атомы натрия и йода на поверхности медной подложки. Справа: «стена», возведенная из атомов железа на медной подложке
«Обычно все атомы мельтешат, мчатся кто куда, но если их очень сильно охладить, они начинают вдруг маршировать строем, как армия. Разница почти такая же, как между электрической лампочкой и лазером: у лампочки все частицы света мчатся в разные стороны, а у лазера маршируют. Вот мы и сумели построить лазер, который излучает не свет, а вещество. Собственно говоря, все очень просто, не так ли?» – шутливо пояснял суть открытия немецкий физик Вольфганг Кеттерле, получивший впоследствии Нобелевскую премию за исследование этого конденсата, который представлял собой… новое состояние вещества.
Окружающие нас субстанции пребывают в жидком, твердом или газообразном виде. Однако теория допускает и другие агрегатные состояния. Например, все атомы вещества могли бы сконденсироваться на самом низком энергетическом уровне. Подобный объект должен был реагировать на любые воздействия как единое целое, хотя его частицы ничто не связывает. Его поведение можно было бы описать одной‑единственной волновой функцией. Этот странный феномен предсказал в середине 1920‑х годов Альберт Эйнштейн, анализируя расчеты, которые проделал индийский физик Шатьендранат Бозе. Данная метаморфоза должна произойти в непосредственной близости от абсолютного нуля по шкале Кельвина.
Готовится эксперимент по охлаждению вещества почти до абсолютного нуля и получению конденсата Бозе – Эйнштейна
В самом деле, подобное состояние впоследствии наблюдалось, но получить его в чистом виде не удавалось никак. Так, в сверхпроводниках часть электронов пребывает в виде конденсата Бозе‑Эйнштейна. В сверхтекучем гелии часть атомов тоже ведет себя, как единое целое.
В начале девяностых годов сразу в нескольких научных лабораториях «охотились» за конденсатом Бозе – Эйнштейна. Путь к нему пролегал через область сверхпроводящих материалов. Следующая отметка на пути ученых: 4,2 кельвина (около – 269 °С). При этой температуре гелий становится жидкостью. При температуре, равной 2 Кельвинам, он становится сверхтекучим, то есть, не испытывая трения, проникает в тончайшие капилляры.
Собственно область физики сверхнизких температур начинается при температуре ниже 2 Кельвинов. К середине 1990‑х годов физикам удалось настолько усовершенствовать технологию охлаждения, что открытие нового состояния вещества казалось неминуемым.
Вот один из методов – так называемое лазерное охлаждение. Газ удерживается в магнитной ловушке, а на него направляется лазерный луч. Он поглощает часть кинетической энергии атомов, и это снижает температуру газа. В потоке световых квантов атомы газа тормозятся словно в «оптическом сиропе». Подобным способом в начале 1995 года удалось охладить газ из атомов цезия до температуры, равной 700 нанокельвинам, то есть 0,0000007 кельвина.
Все готово для получения конденсата Бозе – Эйнштейна
Но рекорд держался недолго. В том же году американские физики Эрик Корнелл и Карл Уайман из Национального института стандартов и технологий (Колорадо) сперва охладили газ, образованный из атомов рубидия, до 200 нанокельвинов, а чуть позже побили и этот температурный рекорд. Важную роль сыграл выбор газа. Атомы рубидия из‑за их размеров легче охладить, чем, например, водород. Кроме того, при работе с ними конденсат легче обнаружить. В случае же с водородом газ может сконденсироваться, и никто ничего не заметит.
Рубидиевый газ предварительно охлаждали лазерами, а затем с помощью направленных радиоволн удаляли из магнитной ловушки самые горячие из атомов. «Происходило примерно то же, что и с чашкой кофе, которую остужают, дав испариться самым горячим частичкам напитка», – поясняет Эрик Корнелл.
Наконец, при температуре, равной 170 нанокельвинам, настал долгожданный момент: рубидиевый газ начал конденсироваться, его плотность резко возросла. Все больше атомов занимало самое выгодное энергетическое положение вместо того, чтобы распределяться по различным уровням, что характерно для обычного газа. В центре ловушки скопились две тысячи атомов. Их скорость и направление движения были одинаковы. Это состояние длилось около пятнадцати секунд.
«Когда исследователи поняли, что за добычу они поймали, всех охватило поразительное волнение. Ведь этот сгусток атомов вовсе не был обычным газом! Речь шла о новой форме вещества, которой приписывают диковинные свойства». Подобными сообщениями летом 1995 года пестрели страницы многих газет.
В первых комментариях к этому эксперименту говорилось, что конденсат Бозе‑Эйнштейна мог бы задать новый эталон измерения времени. Что он мог бы проводить тепло лучше, чем металл. Что если сфокусировать его, получится луч, напоминающий лазерный. Подобный луч мог бы стать мощным орудием нанотехнологов. Используя его, можно было бы изготавливать куда более миниатюрные микросхемы, чем теперь.
«Мы проникли в совершенно новую область исследований, – признавался в одном из первых интервью будущий нобелевский лауреат Эрик Корнелл. – Перед нами открываются очень интересные феномены. Я думаю, что в ближайшие годы физика сверхнизких температур переживет свой ренессанс».
Начиная с 1995 года, физики сумели получить конденсат Эйнштейна‑Бозе из атомов рубидия, натрия, водорода и гелия. Во всех случаях он состоял из бозонов – квазичастиц с целым спином (собственным моментом количества движения), стремящихся быть как можно ближе друг к другу.
В 1999 году был впервые получен и конденсат из фермионов – частиц с полуцелым спином, которые стараются держаться друг от друга подальше. В данном случае конденсат содержал атомы калия. Они соединялись попарно, образуя своего рода двухатомные молекулы с целым спином.
Это напоминало появление так называемых пар Купера в сверхпроводниках, то есть пар электронов, способных преодолеть взаимное отталкивание. В комментариях специалистов подчеркивалось: «Если бы удалось перевести фермионный конденсат в твердое состояние, то получившееся вещество могло бы иметь свойства высокотемпературного сверхпроводника».
«Изучение фермионных конденсатов может значительно продвинуть исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку механизм образования пар атомов имеет тот же характер, что и образование пар Купера, но при этом атомы значительно более устойчивы к влиянию высоких температур», – писал журналист «Известий» Петр Образцов.
Идет эксперимент с конденсатом Бозе – Эйнштейна
Наконец, в апреле 2001 года появились сообщения о том, что сотрудники Rice University (Хьюстон, Техас) получили особое состояние вещества: в нем одновременно присутствовали и бозонный, и фермионный конденсаты.
Группа ученых – ее возглавлял Рэндалл Халет – проводила опыты со смесью, содержавшей изотопы лития‑6 и лития‑7. Атомы последнего ведут себя, как бозоны, поскольку состоят из четного числа элементов: четырех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Атомы лития‑6 принадлежат к фермионам. Они состоят из нечетного числа частиц: трех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Два одинаковых фермиона не могут находиться в одном и том же месте, двигаться с одной и той же скоростью, в одном и том же направлении.
На мониторе растрового туннельного микроскопа видны горы, сложенные из атомов
Когда атомарное облако охладили до миллионной доли градуса Кельвина, в самом центре магнитной ловушки расположились атомы лития‑7; они образовали компактное облако диаметром около полумиллиметра. При дальнейшем охлаждении оно быстро уменьшалось. Фермионное облако было диффузным, и размеры его мало менялись. В нем действовало так называемое давление Ферми, которое мешало атомам даже при столь низкой температуре скапливаться посредине ловушки. Американские ученые предполагают, что и при более низких температурах фермионное и бозонное облака избегают друг друга и стремятся отдалиться. Подобное явление наблюдалось также в смеси из жидкого гелия‑3 и гелия‑4.
Любопытны и другие исследования конденсата Бозе – Эйнштейна.
Так, Эрик Корнелл и Карл Уайман в опыте с конденсатом из атомов изотопа рубидия добились быстрого чередования сил притяжения и отталкивания атомов. Это привело к почти взрывному расширению конденсата, напоминавшему взрыв сверхновой звезды. Ученые окрестили данный процесс: «Bose‑Nova».
Немецкие физики Йозеф Фортаг и Теодор Хенш, получивший Нобелевскую премию по физике в 2005 году, независимо друг от друга изготовили микросхему, которой можно управлять с помощью капли конденсата Бозе – Эйнштейна. Используя ее, можно накапливать и передавать информацию.
Вольфганг Кеттерле показал, что от конденсата Бозе – Эйнштейна можно «отщипывать» кусочки. Это позволит построить атомный лазер, который будет генерировать излучение вещества, а не света. Конденсат представляет собой идеальную вещественную волну подобно тому, как лазерный свет – идеальную электромагнитную волну. Отдельные его атомы можно описывать волновой функцией, как и когерентный свет. Однако длина волны атомов значительно меньше, чем длина световой волны. С помощью атомного лазера можно создавать самые крохотные структуры, перемещая атомы с точностью до нанометра. Это открытие принесет ощутимый прогресс в нанотехнологии. Преимущество атомных лазеров перед традиционной светооптикой заключается в их чрезвычайно высокой точности. «Применение атомного лазера, – говорит Теодор Хенш, – это, насколько мне известно, самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их».
«Применение атомного лазера, – говорит Теодор Хенш, – это… самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их»
«Конденсат Бозе – Эйнштейна, – отмечает Кеттерле, – открывает путь к созданию и исследованию совершенно новых материалов». Так, плоские полосы или ленты из конденсата «обладают абсолютно иными свойствами, чем трехмерные объекты. Это – совершенно иная физика».
Конденсат идеально подходит для экспериментального исследования свойств квантовых систем. Кроме того, его можно рассматривать как модель макроскопических систем, в которых множество частиц вынуждены взаимодействовать друг с другом. Так, можно создать «оптическую решетку» из световых волн и поместить внутри нее конденсат Бозе – Эйнштейна. Получится своеобразный объект, в котором охлажденные атомы газа будут располагаться строго в определенных точках пространства – почти как атомы в кристаллической решетке. Этот чрезвычайно охлажденный газ можно использовать в лабораторных экспериментах как упрощенную модель твердого тела. Возможно, эксперименты с конденсатом Бозе‑Эйнштейна помогут, наконец, точно описать механизм высокотемпературной сверхпроводимости.
Остается добавить, что, по сообщению газеты «Известия», «крупнейшие российские специалисты по конденсатам Бозе‑Эйнштейна работают за границей: академик Владимир Захаров – в США, академик Лев Питаевский – в Италии. Эксперименты в этой области в России не ведутся».
