Właściwości kondensatu Bosego Einsteina

Po raz pierwszy przewidział Albert Einstein, kondensaty Bosego-Einsteina reprezentują dziwny układ atomów, który nie został zweryfikowany w laboratoriach do 1995 roku. Te kondensaty są spójnymi gazami, powstającymi w temperaturach niższych niż gdziekolwiek w przyrodzie. W tych kondensatach atomy tracą swoją indywidualną tożsamość i łączą się, tworząc coś, co jest czasami określane jako „superatom”.

W 1924 Satyendra Nath Bose badał pomysł, że światło podróżowało w maleńkich pakietach, obecnie znanych jako fotony. Określił pewne zasady ich zachowania i wysłał je do Alberta Einsteina. W 1925 Einstein przewidział, że te same zasady będą miały zastosowanie do atomów, ponieważ są one również bozonami o spinie całkowitym. Einstein opracował swoją teorię i odkrył, że prawie we wszystkich temperaturach różnica będzie niewielka. Odkrył jednak, że w ekstremalnie niskich temperaturach powinno wystąpić coś bardzo dziwnego – kondensat Bosego-Einsteina.

Temperatura jest po prostu miarą ruchu atomów. Przedmioty gorące składają się z atomów, które poruszają się szybko, podczas gdy przedmioty zimne składają się z atomów, które poruszają się powoli. Podczas gdy prędkość poszczególnych atomów jest różna, średnia prędkość atomów pozostaje stała w danej temperaturze. Omawiając kondensaty Bosego-Einsteina, konieczne jest użycie skali temperatury bezwzględnej lub Kelvina. Zero bezwzględne jest równe -459 stopni Fahrenheita, temperaturze, w której ustaje wszelki ruch. Jednak kondensaty Bosego-Einsteina tworzą się tylko w temperaturach poniżej 100 milionowych stopnia powyżej zera absolutnego.

Jak przewidują statystyki Bosego-Einsteina, w bardzo niskich temperaturach większość atomów w danej próbce istnieje na tym samym poziomie kwantowym. Gdy temperatury zbliżają się do zera absolutnego, coraz więcej atomów schodzi do najniższego poziomu energetycznego. Kiedy to nastąpi, atomy te tracą swoją indywidualną tożsamość. Nakładają się one na siebie, łącząc się w jeden nierozróżnialny atomowy bąbel, znany jako kondensat Bosego-Einsteina. Najniższa temperatura, jaka istnieje w przyrodzie, występuje w przestrzeni kosmicznej, około 3 stopni Kelvina. Jednak w 1995 roku Eric Cornell i Carl Wieman byli w stanie schłodzić próbkę 2000 atomów rubidu-87 do mniej niż 1 miliardowa stopnia powyżej zera absolutnego, generując jako pierwszy kondensat Bosego-Einsteina czas.

Gdy atomy się ochładzają, zachowują się bardziej jak fale, a mniej jak cząsteczki. Po wystarczającym ochłodzeniu ich fale rozszerzają się i zaczynają nakładać się na siebie. Jest to podobne do kondensacji pary na pokrywce podczas gotowania. Woda zbija się razem, tworząc kroplę wody lub kondensat. To samo dzieje się z atomami, tylko ich fale łączą się ze sobą. Kondensaty Bosego-Einsteina są podobne do światła laserowego. Jednak zamiast fotonów zachowujących się w sposób jednorodny, to atomy istnieją w idealnej jedności. Niczym kondensująca się kropla wody, atomy o niskiej energii łączą się, tworząc gęstą, nieodróżnialną bryłę. Od 2011 roku naukowcy dopiero zaczynają badać nieznane właściwości kondensatów Bosego-Einsteina. Podobnie jak w przypadku lasera, naukowcy bez wątpienia odkryją dla nich wiele zastosowań, które przyniosą korzyści nauce i ludzkości.