На МКС создадут самое холодное место во Вселенной

При комнатной температуре чудес не происходит: почти все удивительные квантово-механические явления любят холод. Чтобы увидеть сверхпроводимость, сверхтекучесть или создать конденсат Бозе-Эйнштейна необходимо сначала достичь температур, очень близких к так называемому абсолютному нулю.

В наземных лабораториях физики упираются в предел — несколько нанокельвинов (миллиардных долей кельвина) выше абсолютного нуля. Дальнейшее снижение температуры в условиях земной гравитации невозможно, и потому учёные решили переместить лабораторию в космос.

В рамках эксперимента Cold Atom Laboratory ("Лаборатория охлаждённых атомов") агентство NASA планирует достичь температур на три порядка ниже нынешних рекордов. "Лаборатория" будет готова к работе в 2016 году, и располагаться она будет на Международной космической станции.

Основная цель проекта — пролить свет на природу "квантовой материи", то есть те формы материи, в которых некоторые макроскопические (проявляющиеся в обычной жизни) свойства управляются квантовой механикой. Помимо нашумевшей сверхпроводимости, учёные надеются увидеть и другие квантово-механические феномены, для проявления которых недостаточно земных температур.

Некоторые крошечные явления невозможно увидеть на Земле из-за так называемого теплового шума. Избавившись от этой проблемы с помощью перенесения лаборатории в космос, физики планируют больше узнать о квантовой запутанности, принципе эквивалентности сил гравитации и инерции и других не до конца изученных явлениях.

С точки зрения физики, достижение температур, близких к абсолютному нулю, означает сильное замедление всякого движения. Если нуль по шкале Кельвина (-273,15 по Цельсию) является температурой, при которой останавливается всякое движение, включая колебания атомов и мельчайших частиц, то чем ближе среда к этому абсолюту, тем необычнее будут свойства объектов, в ней находящихся.

Сухой лёд, к примеру, имеет температуру 195 кельвинов, жидкий азот кипит при 77 кельвинах, газ гелий становится жидким при 4,2 кельвинах, а температура самого холодного природного места во Вселенной — туманности Бумеранг — составляет 1 кельвин. Объект, температура которого будет составлять 1 пикокельвин, окажется в триллион раз холоднее туманности Бумеранг.

Одним из объектов исследования в Лаборатории охлаждённых атомов будут волны де Бройля атомов в холодном газе. При комнатной температуре атом средней массы имеют длину волны около 0,02 нанометра, что примерно в 10 раз меньше, чем физический размер атома. Это расхождение в размерах объясняет, почему в одноатомных газах, то есть в газах, где атомы не имеют химических связей друг с другом, не проявляют квантовую природу при комнатной температуре.

При температуре в 1 кельвин длина волны достигает уже 0,3 нм, что чуть больше, чем расстояние между атомами в жидкости и уже можно наблюдать сверхтекучесть гелия. Если опустить температуру среды до одного пикокельвина, то длина волны достигает 0,3 мм — значительно больше среднего размера атома. Когда квантовые волны отдельных атомов газа перекрывают друг друга, система начинает функционировать преимущественно по законам квантовой механики.

На сегодняшний день самые низкие температуры достигаются при создании квантовых одноатомных газов. В таких экспериментах необходимо поймать, охладить и изучить целую коллекцию индивидуальных атомов. К сожалению, атомные ловушки нарушают как конечную температуру, так и общую однородность исследуемой среды.

Самые современные атомные ловушки опираются на принцип гравитомагнитного баланса. Звучит сложно, но на самом деле всё просто. Диамагнитные атомы выталкиваются магнитными полями так, что при размещении в неоднородном по "силе" магнитном поле атомы будут опускаться до того уровня, пока направленная вверх сила от магнитного взаимодействия не уравновесит силу тяжести.

Гравитомагнитные ловушки также обладают одним интересным свойством: магнитное поле в её центре несколько меньше, чем по краям, что позволяет удерживать атомы и в горизонтальной плоскости. Таким образом атом фиксируется в определённом положении и управлять им становится так же просто, как маленькой бусинкой, которую мы держим в щипцах.

Магнитные взаимодействия различных атомов в такой ловушке не будут однородными, особенно если учитывать огрехи при изготовлении и эксплуатации приборов. А любые колебания или другие изменения в магнитном поле заставят атомы двигаться быстрее, что эквивалентно росту температуры (чем жарче, тем активнее они колеблются). Стремления достичь баланса привели к тому, что самая низкая температура, созданная в лаборатории, составила 0,45 нанокельвинов. Эксперимент проводится в Массачусетском технологическом институте (MIT).

В рамках проекта Cold Atom Laboratory учёные NASA планируют создавать квантовые газы при температуре в несколько пикокельвинов. Самое приятное, что никакие атомные ловушки в космосе не понадобятся, и представители агентства подробно объяснили, почему.

Типичный экспериментальный образец захваченных атомов обладает "шириной" в несколько миллиметров. При температуре в 1 кельвин незахваченные атомы "сбегут" уже через миллисекунду, чего явно недостаточно для изучения. Тем не менее, при 1 нанокельвине атомы будут удерживать экспериментальный объём на протяжении 5 секунд, а при 1 пикокельвине — уже три минуты. На самом деле, необходимые измерения можно успеть сделать и за несколько секунд, так что предоставленного времени для расчётов будет вполне достаточно — и никакие ловушки не нужны.

Другая проблема, которую физики пытаются решить запуском эксперимента Cold Atom Laboratory — это земная гравитация. На поверхности планеты атомы не удержали бы экспериментальный объём образца уже через 25 миллисекунд. К тому же, частицы получили бы кинетическую энергию, которая сравнима с их тепловыми колебаниями. Такие условия привели бы к неточным данным по итогам эксперимента.

Таким образом, лаборатория на орбите снимает сразу две проблемы. Помимо того что не требуется никаких ловушек для достаточно холодных атомов, не нужны и никакие устройства для "удаления" земной гравитации.

Модуль с лабораторией планируют запустить и пристыковать к МКС уже в 2016 году. Так что через пару лет, должно быть, появятся первые интересные отчёты физиков об орбитальных квантово-механических чудесах.