Вперше передбачені Альбертом Ейнштейном, конденсати Бозе-Ейнштейна представляють дивне розташування атомів, яке не було перевірено в лабораторіях до 1995 року. Ці конденсати - це когерентні гази, що утворюються при більш холодних температурах, ніж можна знайти де-небудь в природі. Усередині цих конденсатів атоми втрачають свою індивідуальність і зливаються, утворюючи те, що іноді називають "суператомом".
Теорія конденсату Бозе-Ейнштейна
У 1924 році Сатьєндра Нат Бозе вивчав ідею, що світло подорожувало у крихітних пакетах, відомих тепер як фотони. Він визначив певні правила їх поведінки і відправив їх до Альберта Ейнштейна. У 1925 році Ейнштейн передбачив, що ці самі правила застосовуватимуться до атомів, оскільки вони також є бозонами і мають цілочисельний спін. Ейнштейн розробив свою теорію і виявив, що майже за всіх температур різниця буде незначною. Однак він виявив, що при надзвичайно низьких температурах має відбуватися щось дуже дивне - конденсат Бозе-Ейнштейна.
Температура конденсату Бозе-Ейнштейна
Температура - це просто міра руху атомів. Гарячі предмети складаються з атомів, які швидко рухаються, тоді як холодні предмети складаються з атомів, які рухаються повільно. Хоча швидкість руху окремих атомів змінюється, середня швидкість руху атомів залишається незмінною при певній температурі. Обговорюючи конденсати Бозе-Ейнштейна, необхідно використовувати абсолютну, або кельвінівську температурну шкалу. Абсолютний нуль дорівнює -459 градусів за Фаренгейтом, температурі, при якій припиняється весь рух. Однак конденсати Бозе-Ейнштейна утворюються лише при температурах менше 100 мільйонних градусів вище Абсолютного нуля.
Утворення конденсатів Бозе-Ейнштейна
Як передбачається статистикою Бозе-Ейнштейна, при дуже низьких температурах більшість атомів у даному зразку існують на одному квантовому рівні. Коли температури наближаються до Абсолютного нуля, все більше атомів опускаються до найнижчого енергетичного рівня. Коли це відбувається, ці атоми втрачають свою індивідуальну ідентичність. Вони накладаються один на одного, зливаючись в одну невідмітну атомну краплю, відому як конденсат Бозе-Ейнштейна. Найхолодніша температура, яка існує в природі, знаходиться в глибокому космосі, близько 3 градусів за Кельвіном. Однак у 1995 році Ерік Корнелл та Карл Віман змогли охолодити зразок з 2000 атомів Рубідію-87 до менше 1 мільярдної частки градуса вище Абсолютного нуля, утворюючи конденсат Бозе-Ейнштейна для першого час.
Властивості конденсату Бозе-Ейнштейна
Остигаючи атоми, вони поводяться більше як хвилі, а менше як частинки. При достатньому охолодженні їх хвилі розширюються і починають перекриватися. Це схоже на конденсацію пари на кришці при її кип’ятінні. Вода злипається, утворюючи краплю води або конденсат. Те саме відбувається з атомами, тільки це їх хвилі, які зливаються між собою. Конденсати Бозе-Ейнштейна схожі на лазерне світло. Однак замість того, щоб фотони поводились однаково, саме атоми існують у ідеальному союзі. Подібно до краплі води, що конденсується, атоми з низькою енергією зливаються між собою, утворюючи щільну нерозрізнену грудку. Станом на 2011 рік, вчені тільки починають вивчати невідомі властивості конденсатів Бозе-Ейнштейна. Як і у випадку з лазером, вчені, безсумнівно, виявлять для них безліч способів використання, які принесуть користь науці та людству.