Главная Общество Наука

Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"

Самым холодным из известных объектов во Вселенной отныне может считаться облако атомарного натрия, полученное в лаборатории в Кембридже (штат Массачусетс) под руководством лауреата Нобелевской премии Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle).

Физики из MIT-Harvard Centre for Ultra-Cold atoms (Центра ультрахолодных атомов, созданного совместно Массачусетским технологическим институтом и Гарвардским университетом) охладили 2500 атомов натрия до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества (если считать таковыми твердое, жидкое, газообразное и плазму; при желании к этому списку "стихий" можно добавить и недавно полученную кварк-глюонную плазму) - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна. Главная особенность данного конденсата состоит в том, что образующие его атомы переходят на самый низкий из всех возможных энергетических уровней, утрачивают свою самостоятельность и начинают себя вести подобно единому гигантскому атому - получается своего рода "атомный снежок". Образуется совершенно новый необычный тип вещества, в макроскопических масштабах обладающего волновыми свойствами, присущими любой "настоящей" элементарной частице.

Принципиальная возможность перевода вещества в такое состояние (бозе-конденсация) была предсказана индийским физиком Шатьендранатом Бозе в 1924 году (для фотонов) и в том же году теория была развита знаменитым Альбертом Эйнштейном (уже применительно к молекулам идеального газа). Однако получить бозе-конденсат на практике физикам удалось лишь в самом конце XX века (в 1995 году). Американцы Эрик Корнелл, Карл Вейман и немец Вольфганг Кеттерле были в 2001 году удостоены Нобелевской премии по физике именно за получение конденсата Бозе - Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов (рубидия и натрия) и за исследование свойств этого конденсата.

Чтобы охладить атомы до небывалых температур, используют комбинацию двух новейших методов глубокого охлаждения: лазерное охлаждение и охлаждение испарением. Ученые "заманивают" миллионы охлаждаемых атомов в магнитную ловушку, уравновешивая гравитационное поле магнитным, затем замедляют их движение лазерами (фокусированный лазерный пучок индуцирует электромагнитный дипольный момент в атомах, вследствие чего они "привязываются" к интенсивным электромагнитным полям в лазерном фокусе) и опять же лазерным лучом "отгоняют" самые быстрые горячие атомы (самые энергичные атомы убегают, а "остывшие" атомы задерживаются - эту технику называют "испарительным охлаждением" - 'evaporative cooling'), пока не остается некоторое количество окончательно замерзших, "обездвиженных". По окончанию этого этапа эксперимента частично уплотнившееся газовое облако содержало около полмиллиона атомов и имело температуру приблизительно 30 нанокельвинов (3x10^-8K). Потом позволили газу расшириться. Как известно, температура в газе - это показатель средней скорости движения атомов. Когда газ расширяется, атомы распространяются по всему предоставленному им объему и замедляются (процесс называется "адиабатическая декомпрессия" - 'adiabatic decompression'). Прямое следствие этого процесса - понижение температуры. В последнем эксперименте атомы имели среднюю скорость всего лишь 1 мм/с, а температура упала до 450 пикокельвинов (4,5x10^-10K). Это в шесть раз ниже, чем предыдущий температурный рекорд, установленный для тех же бозе-конденсатов.

"Ни один естественный объект в известной нам части Вселенной не имеет столь низкой температуры", - говорит Аарон Линхардт (Aaron Leanhardt), который принимал участие в нынешних исследованиях по получению ультрахолода. Даже глубокий космос горячее в шесть миллиардов раз (температура вдали от звезд - около 3 К). В естественных условиях рекорд принадлежит туманности Бумеранг (за счет быстрого истечения газа охладившейся до -272°C, то есть порядка 1 K).

Такие ультрахолодные атомы могли бы привести к совершенствованию интерферометров и к созданию более точных хронометров. Ведь принцип работы атомных часов основан на измерении времени с помощью частоты ядерных переходов в атомах. Когда атомы "горячи", их движение заставляет частоту "плавать", тогда как холодные атомы все укладываются в одно и то же квантовое состояние. Кроме того, исследователи собираются заняться изучением взаимодействия таких ультрахолодных атомов с поверхностями комнатной температуры. Теория предсказывает, что в этом случае должно наблюдаться так называемое квантовое отражение. А помимо получения сугубо научных результатов, физики претендуют теперь на упоминание в Книге Гиннесса.

Источники:
Bose-Einstein condensates break temperature record - PhysicsWeb
Coolest thing in the Universe revealed - New Scientist

Ссылки:
Сверхмедленный свет в ультрахолодном веществе - "Природа"
Конденсат Бозе - Эйнштейна получен. Зачем он нужен?

Статья

Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"

2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.

Статья

На Солнце нашли антиматерию

Для изучения антивещества в земных условиях приходится ускорять частицы до рекордных скоростей и сталкивать их вместе, чтобы получить считанные атомы этого экзотического для нас вида материи. Причем существовать до аннигиляции эти чуждые нашему миру атомы могут лишь весьма непродолжительное время. А вот Солнце в смысле производства антивещества оказалось намного более эффективно. Кроме того, солнечное антивещество ведет себя иначе, чем можно было бы ожидать.

Статья

Физики открыли "мятежную" субатомную частицу

На линейном ускорителе в Стэнфорде идентифицировали новую субатомную частицу D_s (2317). Эта частица представляет из себя необычный "сплав" "очарованного" кварка и "странного" антикварка. Ее масса оказалась существенно ниже, чем можно было бы ожидать. В качестве альтернативы рассматривается и такая возможность: частица могла бы быть в новом, до настоящего времени невиданном состоянии - ассоциация четырех кварков.

Статья

Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы

Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.

Статья

Кокон вокруг миллисекундного пульсара Черная Вдова

Изображение таинственного пульсара Черная Вдова, полученное "Чандрой", позволило разглядеть удлиненный "кокон" из высокоэнергетических частиц вокруг этого объекта. Таким образом, подтверждается теория, согласно которой даже относительно слабо намагниченные старые нейтронные звезды могут производить мощные электромагнитные поля и ускорять частицы до высоких энергий, если они вращаются достаточно быстро.

Статья

Загадка солнечных нейтрино решена

Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.

Статья

Капли сверхплотного кваркового вещества прошивают Землю насквозь

Исследователи выявили два сейсмических события, которые, как они считают, могли быть вызваны исключительно проходом сквозь Землю кварковой материи - формы вещества, до сих пор не обнаруженной в экспериментах. Впрочем, есть свидетельство того, что такая странная кварковая материя встречается в космосе, среди некоторых экзотических звезд.

Статья

Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному

Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.

Статья

Теория "холодного темного вещества" получила экспериментальное подтверждение

Канадским астрономам из Университета Торонто удалось измерить протяженность и определить форму массивных невидимых галактических ореолов, состоящих, согласно современным теориям, из темного вещества. Выяснилось, что размеры таких ореолов могут в 5-8 раз превышать видимые размеры галактик (то есть светящееся вещество - звезды). Ученые использовали в своих целях эффект, называемый "гравитационным линзированием".

Статья

Темная энергия уходит в тень: получено новое свидетельство существования антигравитации

Астрономы Слоановского цифрового обзора неба объявили о получении еще одного независимого свидетельства существования таинственной темной энергии. Исследователи нашли своеобразный отпечаток темной энергии (или, как они называют это явление, "тень" темной энергии) путем изучения корреляций между изображениями миллионов галактик, полученных в ходе реализации программы SDSS, и картой распределения вариаций температуры реликтового излучения, "нарисованной" зондом WMAP.

Статья

Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе

90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.

Статья

"Частица бога" не откроет тайну американцам

Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).

Статья

Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию

Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.

Статья

Разрешена одна из загадок космических лучей

Казалось бы, в одной-единственной цифре не может быть ничего выдающегося, однако это позволило не только разрешить споры о месте рождения пульсара и определить размер его нейтронной звезды (а стало быть, уточнить физическую модель этого объекта), но и, возможно, открыть одну из важнейших тайн космических лучей.

Статья

Теория относительности топит субмарины

Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.

Статья

Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн

Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.

Статья

Уфимским ученым за электропроводящие полимеры сулят "нобелевку"

Сенсационное открытие сделали башкирские ученые. Оно совершит переворот в мире физики. Сотрудники уфимского Института физики молекул и кристаллов заставили бежать электрический ток по полимерам. До сих пор ни одному научному институту мира такого не удавалось. По всей видимости, еще большее значение подобное открытие будет иметь для грядущей эры нанотехнологий.

Статья

Большой взрыв руками физиков-ядерщиков: подтверждено получение кварк-глюонной плазмы

Недавние контрольные эксперименты добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена: похоже, им действительно удалось получить кварк-глюонную плазму - то есть материю, находящуюся в принципиально новом состоянии. Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10^-5 с после Большого взрыва. Когда-то предрекали, что подобные эксперименты могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться.

Статья

"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах

Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".