Свойства конденсата Бозе-Эйнштейна

Конденсаты Бозе-Эйнштейна, впервые предсказанные Альбертом Эйнштейном, представляют собой странное расположение атомов, которое не проверялось в лабораториях до 1995 года. Эти конденсаты представляют собой когерентные газы, образующиеся при более низких температурах, чем где-либо в природе. В этих конденсатах атомы теряют свою индивидуальность и сливаются, образуя то, что иногда называют «суператомом».

В 1924 году Сатьендра Нат Бос изучал идею о том, что свет путешествовал в крошечных пакетиках, теперь известных как фотоны. Он определил определенные правила их поведения и отправил их Альберту Эйнштейну. В 1925 году Эйнштейн предсказал, что те же правила будут применяться к атомам, потому что они также являются бозонами с целочисленным спином. Эйнштейн разработал свою теорию и обнаружил, что почти при всех температурах разница будет небольшой. Однако он обнаружил, что при очень низких температурах должно происходить нечто очень странное - конденсат Бозе-Эйнштейна.

Температура - это просто мера движения атомов. Горячие предметы состоят из быстро движущихся атомов, а холодные - из медленно движущихся атомов. Хотя скорость отдельных атомов меняется, средняя скорость атомов остается постоянной при заданной температуре. При обсуждении конденсатов Бозе-Эйнштейна необходимо использовать шкалу абсолютных температур, или шкалу Кельвина. Абсолютный ноль равен -459 градусам по Фаренгейту, температуре, при которой прекращается любое движение. Однако конденсаты Бозе-Эйнштейна образуются только при температурах менее 100 миллионной градуса выше абсолютного нуля.

Как предсказывает статистика Бозе-Эйнштейна, при очень низких температурах большинство атомов в данном образце существует на одном квантовом уровне. По мере приближения температуры к абсолютному нулю все больше и больше атомов опускаются до самого низкого энергетического уровня. Когда это происходит, эти атомы теряют свою индивидуальную идентичность. Они накладываются друг на друга, сливаясь в одну неразличимую атомную каплю, известную как конденсат Бозе-Эйнштейна. Самая холодная температура, существующая в природе, находится в глубоком космосе, около 3 градусов Кельвина. Однако в 1995 году Эрик Корнелл и Карл Виман смогли охладить образец из 2000 атомов Рубидия-87 до меньше чем на 1 миллиардную градуса выше абсолютного нуля, генерируя конденсат Бозе-Эйнштейна для первого время.

По мере охлаждения атомы ведут себя больше как волны, а не как частицы. При достаточном охлаждении их волны расширяются и начинают перекрываться. Это похоже на конденсацию пара на крышке при кипячении. Вода слипается, образуя каплю воды или конденсат. То же самое и с атомами, только сливаются их волны. Конденсаты Бозе-Эйнштейна похожи на лазерный свет. Однако вместо того, чтобы вести себя единообразно, именно атомы существуют в идеальном единстве. Подобно конденсирующейся капле воды, низкоэнергетические атомы сливаются вместе, образуя плотный неразличимый ком. По состоянию на 2011 год ученые только начинают изучать неизвестные свойства конденсатов Бозе-Эйнштейна. Как и в случае с лазером, ученые, несомненно, найдут для него множество применений, которые принесут пользу науке и человечеству.