Команда ученых NASA обнародовала первые результаты экспериментов с конденсатами Бозе-Эйнштейна на Международной космической станции (МКС), где частицами можно манипулировать без ограничений гравитации. Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) — это агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли Кельвина). В таком сильно охлажденном состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.
Это состояние вещества было теоретически предсказано из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работ Шатьендраната Бозе в 1925 году. В 1995 году первый КБЭ был получен в Объединенном институте лабораторной астрофизики Эриком Корнеллом и Карлом Виманом. За эту работу им, совместно с Вольфгангом Кеттерле была присуждена Нобелевская премия по физике 2001 года. КБЭ, однако, невероятно хрупки. Малейшего взаимодействия с внешним миром достаточно, чтобы прогреть их выше порога конденсации. Это делает чрезвычайно трудным их изучение на Земле, где удержанию КБЭ на месте для наблюдения мешает гравитация. Выходом было создание Лаборатории холодного атома, которая была успешно опробована на Земле и отправлена на МКС.
«Микрогравитация позволяет нам ограничивать атомы гораздо более слабыми силами, поскольку нам не нужно поддерживать их против силы тяжести», — Роберт Томпсон, ведущий автор исследования из Калифорнийского технологического института в Пасадене. Исследование, опубликованное в журнале Nature, документирует несколько поразительных различий в свойствах КБЭ, созданных на Земле, и тех, которые находятся на борту МКС. Например, время свободного расширения, когда атомы колеблются после отключения магнитных ловушек, в космосе составляет около секунды, в отличие от миллисекунд на Земле. Это дает ученым беспрецедентный шанс на изучение свойств КБЭ.
Микрогравитация также позволяла манипулировать атомами с помощью более слабых магнитных полей, ускоряя их охлаждение и позволяя получать более четкие изображения. Создание пятого состояния материи, особенно в пределах физического пространства космической станции, — это огромное достижение. Во-первых, бозоны — атомы с одинаковым числом протонов и электронов — охлаждают до абсолютного нуля, используя лазеры, чтобы закрепить их на месте. Чем медленнее движутся атомы, тем холоднее они становятся.
Когда они теряют тепло, создается магнитное поле, которое не дает им двигаться, и волна каждой частицы расширяется. Заключение бозонов в микроскопическую «ловушку», которая заставляет их волны перекрываться в одну волну материи — свойство, известное как квантовое вырождение. Во-вторых, магнитная ловушка освобождается для того, чтобы ученые исследовали конденсат, однако атомы начинают отталкивать друг друга, в результате чего облако разлетается на части, и КБЭ становится слишком разбавленным, чтобы его можно было обнаружить.
Томпсон и его команда осознали, что микрогравитация на борту МКС позволяет им создать КБЭ из рубидия — мягкого металла, похожего на калий — в гораздо более мелкой ловушке, чем на Земле. Это объясняет значительно увеличенное время, в течение которого конденсат может быть исследован до диффузии. «Самое главное, что мы можем наблюдать за атомами, поскольку они плавают совершенно неограниченно и, следовательно, невозмущены внешними силами», — Роберт Томпсон.
Предыдущие исследования, пытавшиеся имитировать влияние невесомости на КБЭ, включало использование самолетов в свободном падении, ракет и даже аппаратов, сбрасываемых с разной высоты. Руководитель исследовательской группы Дэвид Авелин говорит, что изучение КБЭ в условиях микрогравитации открыло множество исследовательских возможностей. «Область применения варьируется от испытаний общей теории относительности и поиска темной энергии и гравитационных волн до навигации космических аппаратов и поиска подземных минералов на Луне и других планетных телах», — отметил Авелин.
