Пятое состояние материи нарушает правила квантовой физики: что такое конденсат Бозе–Эйнштейна

Конденсат Бозе–Эйнштейна является одним из пяти основных агрегатных состояний вещества. В этой странной форме материи охлажденные почти до абсолютного нуля атомы действуют как один сверхатом. То есть атомы имеют настолько низкую энергию, что правила квантовой механики требуют, чтобы они перестали вести себя как отдельные единицы, пишет Live Science.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Нобелевская премия за пятое агрегатное состояние вещества

Конденсат Бозе–Эйнштейна возникает, когда происходит охлаждение атомов до почти абсолютного нуля, то есть их температура всего немного выше, чем минус 273,15 градусов Цельсия. При такой температуре атомы почти прекращают движение, ведь у них нет свободной энергии для этого. После этого атомы начинают скапливаться и переходят в одинаковые энергетические состояния. То есть они становятся идентичными с физической точки зрения, и начинают вести себя так, как если бы они были одним сверхатомом.

Хотя более известные четыре агрегатных состояния материи, такие, как жидкость, газ, твердые тела и плазма изучали уже давно, конденсат Бозе–Эйнштейна впервые смогли создать в 1995 году. Американские физики за это достижение в 2001 году получили Нобелевскую премию.

Для этого ученые взяли облако диффузного газа из атомов рубидия и охладили с помощью лазеров, чтобы забрать у них энергию. После этого атомы продолжили охлаждать до еще более низкой температуры, которая была чуть выше абсолютного нуля. Собственно, даже сейчас конденсат Бозе–Эйнштейна можно создать таким же образом.

По словам физика Сюэдуна Ху из Университет штата Нью-Йорк в Буффало, для получения пятого агрегатного состояния вещества нужно начать с неупорядоченного состояния атомов, где кинетическая энергия превышает потенциальную. После охлаждения конденсат не образует решетку, как твердое тело.

Вместо этого атомы попадают в одни и те же квантовые состояния и их невозможно отличить друг от друга. Тогда атомы начинают подчиняться статистике Бозе–Эйнштейна, которую обычно применяют к частицам, которые нельзя отличить друг от друга, например, частицам света — фотонам.

Предсказание физиков Бозе и Эйнштейна

Впервые существование конденсата Бозе–Эйнштейна предсказал индийский физик Шатьендранат Бозе в 20-х года прошлого века. Именно он открыл такую элементарную частицу, как бозон. Бозе работал над статистическими проблемами квантовой механики и отправил свои идеи Альберту Эйнштейну. Автор теории относительности решил, что это очень важная идея, а также Эйнштейн решил, что математику Бозе, позже известную как статистика Бозе–Эйнштейна, можно применить как атомам, так и к свету. Свои предположения о новой форме материи физики представили в 1924 году.

Двое физиков выяснили, что атомы должны обладать определенной энергией, ведь одна из основ квантовой механики состоит в том, что энергия атома или любой частиц не может быть случайной. Но если охладить атомы до миллиардной доли выше абсолютного нуля, то они начнут переходить на одинаковый энергетический уровень и их невозможно отличить. Поэтому в конденсате Бозе–Эйнштейна нельзя определить местоположение отдельных атомов, ведь они являются одним сверхатомом.

Но все остальные агрегатные состояния вещества подчиняются принципу исключения Паули. Этот принцип гласит что фермионы (такие частицы, как кварки и лептоны, из которых состоит материя) не могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. Но конденсат Бозе–Эйнштейна нарушает это правило.

Стоит заметить, что в 2018, 2020 и в 2023 годах на Международной космической станции во время эксперимента астронавты охладили газ из атомов рубидия до десятимиллионной доли выше абсолютного нуля. То есть тогда удалось создать в космосе конденсат Бозе–Эйнштейна.

А в прошлом году американские ученые создали первый конденсат Бозе–Эйнштейна, с помощью которого удалось обнаружить такое необычное явление, как квантовая суперхимия. В ходе эксперимента ученые показали, что тысячи атомов цезия одновременно соединились, образовав молекулы цезия, а затем почти мгновенно превратились обратно в атомы цезия.

Как уже писал Фокус, физики из ЦЕРН начали поиск новых элементарных частиц, которые пока что не удалось обнаружить, но известно, что они должны существовать.