П'ятий стан матерії порушує правила квантової фізики: що таке конденсат Бозе–Ейнштейна

Конденсат Бозе–Ейнштейна є одним із п'яти основних агрегатних станів речовини. У цій дивній формі матерії охолоджені майже до абсолютного нуля атоми діють як один сверхатом. Тобто атоми мають настільки низьку енергію, що правила квантової механіки вимагають, щоб вони перестали поводитися як окремі одиниці, пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Нобелівська премія за п'ятий агрегатний стан речовини

Конденсат Бозе–Ейнштейна виникає, коли відбувається охолодження атомів до майже абсолютного нуля, тобто їхня температура всього трохи вища за мінус 273,15 градусів Цельсія. За такої температури атоми майже припиняють рух, адже в них немає вільної енергії для цього. Після цього атоми починають скупчуватися і переходять в однакові енергетичні стани. Тобто вони стають ідентичними з фізичного погляду, і починають поводитися так, наче б вони були одним надатомом.

Хоча більш відомі чотири агрегатні стани матерії, як-от рідина, газ, тверді тіла і плазма, вивчали вже давно, конденсат Бозе–Ейнштейна вперше змогли створити 1995 року. Американські фізики за це досягнення 2001 року отримали Нобелівську премію.

Для цього вчені взяли хмару дифузного газу з атомів рубідію та охолодили за допомогою лазерів, щоб забрати в них енергію. Після цього атоми продовжили охолоджувати до ще нижчої температури, яка була трохи вищою за абсолютний нуль. Власне, навіть зараз конденсат Бозе–Ейнштейна можна створити в такий самий спосіб.

За словами фізика Сюедуна Ху з Університет штату Нью-Йорк в Буффало, для отримання п'ятого агрегатного стану речовини потрібно почати з невпорядкованого стану атомів, де кінетична енергія перевищує потенційну. Після охолодження конденсат не утворює решітку, як тверде тіло.

Замість цього атоми потрапляють в одні й ті самі квантові стани і їх неможливо відрізнити один від одного. Тоді атоми починають підкорятися статистиці Бозе–Ейнштейна, яку зазвичай застосовують до частинок, які не можна відрізнити одна від одної, наприклад, частинок світла — фотонів.

Передбачення фізиків Бозе та Ейнштейна

Уперше існування конденсату Бозе–Ейнштейна передбачив індійський фізик Шатьєндранат Бозе у 20-х роках минулого століття. Саме він відкрив таку елементарну частинку, як бозон. Бозе працював над статистичними проблемами квантової механіки і відправив свої ідеї Альберту Ейнштейну. Автор теорії відносності вирішив, що це дуже важлива ідея, а також Ейнштейн вирішив, що математику Бозе, пізніше відому як статистика Бозе–Ейнштейна, можна застосувати як до атомів, так і до світла. Свої припущення про нову форму матерії фізики представили 1924 року.

Двоє фізиків з'ясували, що атоми повинні володіти певною енергією, адже одна з основ квантової механіки полягає в тому, що енергія атома або будь-якої частинки не може бути випадковою. Але якщо охолодити атоми до мільярдної частки вище абсолютного нуля, то вони почнуть переходити на однаковий енергетичний рівень і їх неможливо буде відрізнити. Тому в конденсаті Бозе–Ейнштейна не можна визначити місце розташування окремих атомів, адже вони є одним надатомом.

Але всі інші агрегатні стани речовини підкоряються принципу виключення Паулі. Цей принцип свідчить, що ферміони (такі частинки, як кварки і лептони, з яких складається матерія) не можуть перебувати в однакових квантових станах. Але конденсат Бозе–Ейнштейна порушує це правило.

Варто зауважити, що у 2018, 2020 та у 2023 роках на Міжнародній космічній станції під час експерименту астронавти охолодили газ з атомів рубідію до десятимільйонної частки вище абсолютного нуля. Тобто тоді вдалося створити в космосі конденсат Бозе–Ейнштейна.

А минулого року американські вчені створили перший конденсат Бозе–Ейнштейна, за допомогою якого вдалося виявити таке незвичайне явище, як квантова суперхімія. Під час експерименту вчені показали, що тисячі атомів цезію одночасно з'єдналися, утворивши молекули цезію, а потім майже миттєво перетворилися назад на атоми цезію.

Як уже писав Фокус, фізики з ЦЕРН почали пошук нових елементарних частинок, які поки що не вдалося виявити, але відомо, що вони повинні існувати.