Текст книги "Тайны открытий XX века"

Автор книги: Александр Волков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 38 страниц)

Эйнштейновское яблоко отдано на растерзание книжному червю?

«Червоточина – это туннель, ведущий сквозь эйнштейновское пространство-время; его вполне можно сравнить с тем «туннелем», который протачивает в ньютоновском яблоке червь, – без литературных образов, подобных тому, что привел профессор физики Монтанского университета Уильям Хискок, порой трудно разобраться в лабиринтах гипотетических миров, выстроенных современными теоретиками. – Пока червоточины – всего лишь теоретические конструкции, однако они могут нам помочь использовать возможные краевые условия общей теории относительности и эффекты теории квантовой гравитации – науки, которая только создается».

В одном из рассказов аргентинского писателя Адольфо Бьой Касареса, написанном несколько десятилетий назад, подобные туннели существуют даже на Земле. По ним можно пройти пешком, «не торопясь, что называется, нога за ногу, за пять минут», из Буэнос-Айреса в один из уругвайских городов, миновав за эти мгновения «каких-нибудь четыреста километров».

География Земли нам известна и к подобным фантазиям не располагает, но почему бы не помечтать о таких туннелях в Космосе – в столь неведомом нам космосе, где пока, словно в сказке, найдется место всему: зеркальным мирам, черным дырам, параллельным вселенным. Может быть, там находится и «вход в туннель, снаружи его не видно»?

«Они провалились. Внезапно все небо усеяли звезды. Элли заметила громадное облако пыли, вытянувшееся в спираль. Казалось, ее засасывает в черную дыру неимоверных размеров», —

так описывает проникновение в таинственный космический туннель Карл Саган.

Если бы подобные туннели существовали, то перед нами открылись бы неожиданные возможности посещать отдаленные области Вселенной. Туннели, как скоростные лифты, увозили бы нас туда, куда и помыслить попасть невозможно.

По тонкому льду Космоса

В середине восьмидесятых годов Кип Торн задался вопросом: а нельзя ли проникать в отдаленные районы космического пространства или даже другие Вселенные по пространственно-временным туннелям? Благодаря им, «червоточинам» мироздания, можно перехитрить законы природы и миновать барьер световой скорости. Разумеется, чтобы пуститься в межзвездный полет, надо выполнить ряд условий, иначе экспедиция не удастся. Торн сформулировал их так.

Во-первых, не всякая «червоточина» годится для путешествий. Вы же не рискнете переходить реку по тонкому льду и не отправитесь в горы, когда ожидают схода лавин. Вот и космический туннель должен быть стабильным объектом. Что станет со звездолетом, если туннель неожиданно сомкнётся? Чтобы укрепить туннель, надо покрыть его веществом с отрицательной массой.

Путешествие сквозь подобный туннель не должно длиться более года. Туннель должен пребывать в допустимом времени и пространстве. Он не может поглощать бесконечно большие количества материи и энергии.

Гравитационные силы следует свести к минимуму.

Кип Торн и его помощник Майкл Моррис нашли простое и элегантное решение уравнений Эйнштейна. Оно описывает «песочные часы» с двумя сплющенными чашами и узким коридором, соединяющим их. Позднее американский физик Мэтт Виссер и другие исследователи показали, что во Вселенной могли бы существовать «червоточины» иного рода. К примеру, модель Виссера представляет собой угловатую катушку (разумеется, четырехмерную) с прямоугольным коридором: космические корабли могли бы передвигаться по нему гораздо Увереннее, чем по туннелю, связывающему две половинки песочных часов.

Все сказанное звучит довольно сумасбродно даже для проченных фантазеров от науки. «“Червоточины” – это спекулятивная физика, – подчеркивает Виссер. – Нет никаких конкретных признаков того, что они существуют. Однако само понятие “червоточина” расширяет пределы привычной нам науки, не требуя пересмотра ее принципов или создания новых фундаментальных теорий». И это обнадеживает некоторых ученых. Ведь те же черные дыры тоже были «придуманы» за письменным столом, и многие ученые сомневались в их существовании.

Сюжет путешествия, которое не состоится

По оценкам специалистов, эти туннели могли бы выглядеть примерно так же, как те червоточины, по которым снуют герои сериала «Звездный путь». Дальше мнения расходятся. Оптимисты рады уже тому, что ученые не опровергли саму возможность существования таких туннелей. Пессимисты же вновь напоминают, что для путешествий понадобится огромное количество отрицательной энергии. А ее, как известно, и взять особенно неоткуда. При нынешних технологиях невозможно долго удерживать червоточины открытыми. Они сомкнутся, едва в него направится межзвездный корабль.

Так, чтобы удержать открытым туннель радиусом всего один метр, нужно облицевать его стенки тончайшим слоем отрицательной энергии. Толщина этого слоя составит всего десять в минус двадцать первой степени метра, что в миллионы раз меньше диаметра протона. Чтобы получить такое количество отрицательной энергии, нужно затратить примерно столько же энергии, сколько вырабатывают в течение года десять миллиардов звезд. Похоже, что этим туннелям останется место лишь на страницах теоретических трудов, где, повинуясь логике цифр, могут возникать и не такие фантомы.

В 2005 году физики Стивен Сю и Роман Бани из Орегонского университета обнародовали свои подробные расчеты. Они разделили червоточины на две категории – одни подчинялись лишь законам квантовой механики, в других соблюдались многие классические законы физики.

Оказалось, что квантовомеханические червоточины были довольно стабильными, но, как и все в квантовом мире, непредсказуемыми. Путешественники, заглянув внутрь такого туннеля, всякий раз вынуждены были бы начинать жизнь «с чистого листа». Туннель мог перенести их в любую точку времени и пространства. А куда именно, никто и сказать не мог! Понятно, что отправиться в такую экспедицию вряд ли кто захочет, кроме тех, кому надоела жизнь, ведь о возвращении домой, может быть, придется забыть. «Опасность заключается в том, что конечный пункт червоточины, которая колеблется во времени, может оказаться в стене или на дне Тихого океана», – комментировал этот результат Стивен Сю.

В других червоточинах – их назвали «полуклассическими» – можно задать пункт назначения, но отправляться по ним в путь все равно, что взлетать на самолете, из которого убраны все крепежные детали. Туннель чрезвычайно нестабилен. Вы углубились в него, а он возьмет, да и сомкнётся, не отбросив и тени незадачливых путешественников.

«Мы не говорим, что вы не можете построить червоточину. Но те из них, что позволили бы вам предсказать, что мистер Спок прибудет в Нью-Йорк в два часа пополудни и в такой-то день, похоже, исчезнут», – пояснил Стивен Сю.

Туннель закрыт. Просим в него вернуться!

Отчет о работе Стивена Сю и Романа Бани моментально обошел страницы интернетовских научно-популярных изданий. Казалось бы, вопрос с туннелями решен раз и навсегда. Вот только в науке ученые периодически возвращаются к однажды решенным вопросам, чтобы, может быть, пересмотреть прописные истины, даже изреченные такими авторитетами, как Евклид, Ньютон или Эйнштейн.

В последние годы ученые не раз пытались понять, есть ли дополнительные условия, при которых путешествия по таким туннелям могут стать реальностью. Пусть когда-нибудь. Пусть через тысячи тысяч лет.

По расчетам Сергея Красникова, червоточина может сама вырабатывать экзотическое вещество с отрицательной массой, «причем в таком количестве, что ее хватит для космических путешествий».

В 2005 году английский физик Крис Фьюстер и его американский коллега Томас Роман показали, что червоточина будет вполне стабильна и человек может совершить по ней путешествие без опаски, если только геометрия ее стенок будет выдержана с точностью порядка десяти в шестидесятой степени. Конечно, сейчас это немыслимо, но надежду не убедишь в плохом!

В 2002 году бразильский ученый Жозе Мартинш Салим рассчитал, что можно обойтись и без отрицательной энергии. В таком случае для стабилизации туннеля понадобятся магнитные монополи – гипотетические частицы, обладающие положительным или отрицательным магнитным зарядом, аналогичным электрическому. Магнитный монополь можно представить как отдельно взятый полюс длинного и тонкого постоянного магнита. Предполагается, что такие частицы возникли сразу после Большого Взрыва. Поль Дирак еще в 1931 году выдвинул гипотезу о существовании этих экзотических частиц. Монополи оказывают отрицательное давление на червоточину, распирают ее стены, не дают им сомкнуться – и все за счет одного лишь магнитного поля.

В том же 2002 году Сэан Хэйуорд из южнокорейского Ewha Womans University и японский физик Хисааки Синкаи разработали компьютерную модель, которая свидетельствует о родстве черных дыр и космических червоточин. В их модели, стоило стенкам туннеля сомкнуться, как на его месте уже зияла черная дыра. Если же на экране компьютера прямо к черной дыре с двух противоположных сторон подводили отрицательную энергию, то она вмиг вытягивалась в туннель, зазывавший проникнуть туда, отправиться в неведомую даль…

По мнению Стивена Хоукинга и некоторых других ученых, подобные червоточины – только крохотных размеров – регулярно возникают в микромире по причине квантовых эффектов. Возникают и исчезают – этакая рябь в квантовой пене. Но когда-нибудь и эта мельчайшая рябь может вырасти в громадную волну. Расчеты показывают, что с помощью механизма «инфляции» – благодаря ему Вселенная сразу после Большого Взрыва расширялась со сверхсветовой скоростью – можно увеличить протяженность крохотных квантовых туннелей до поистине космических масштабов. Вот только как остановить их рост, как прекратить космическую инфляцию, ученые пока не берутся сказать.

В стороне от скоростных космических дорог

Порой экзерсисы физиков-теоретиков кажутся настоящим образчиком схоластики. Сколько копий сломано вокруг возможного факта существования во Вселенной червоточин! И ради чего? Пересчитана вся наличная отрицательная энергия, собран комплект монополей, выстроена даже модель неуправляемого – катастрофического, инфляционного – строительства космических дорог. Как же все это далеко от насущной жизни – даже от проблем фундаментальной физики!

Однако сами исследователи так не считают. «Изучение червоточин, – подчеркивает Сэан Хейуорд, – расширяет наше понимание силы гравитации, заставляет нас прибегнуть к альтернативным идеям гравитации, например, к моделям бран, используемым в теории струн».

Наука полна чудес. Самые странные гипотезы могут здесь сбыться. Когда-то таким же несбыточным чудом казались и Земля, покидающая центр мироздания, и параллельные прямые, уходящие за горизонт, чтобы непременно пересечься, и эйнштейновские близнецы, стареющие с разной скоростью, потому что время – оно бывает порой тягуче как мед, переливается каплями секунд, а порой летит как световые лучи, день-ночь-день-год-год-год. Научные теории могут выглядеть куда необычнее научно-фантастических сюжетов. Вот уже и черные дыры стали общепризнанной примечательностью космических далей, в то время как к червоточинам, – открыт ли нам вход в них или нет, – по-прежнему относятся, как к чему-то курьезному, как к фантому, рожденному на кончике пера. «А ведь червоточины – это всего лишь черные дыры с отрицательной плотностью энергии», – так прокомментировал свои компьютерные метаморфозы тот же Сэан Хейуорд.

Конечно, большинство его коллег рассуждает так: «Я полагаю, что ни червоточины, ни двигатели, искривляющие пространство, никогда не найдут практического применения, хотя в принципе они могут существовать. Искривление пространства – это дело не наступившего века, не двадцать второго и скорее всего не двадцать третьего» (Л. Кросс). Однако так ли это важно: «Никогда, о nevermore»?

«Мы слишком озабочены земными, практическими вопросами, мы сковываем человеческий дух, – написал однажды Стивен Хоукинг. – Речь же идет о том, чтобы картографировать неведомое в мироздании». Тень невозможного, несбыточного все так же упрямо ложится на нашу человеческую, земную жизнь, на комнату, в которой каждый из нас просиживает большую часть жизни, на ковер под ногами, но так ли уж важно, что «душе из этой тени, что ложится на ковер, не подняться – nevermore»? (Э. По, пер. B.C. Жаботинского)

1.11. ГДЕ НАЧИНАЕТСЯ КВАНТОВЫЙ МИР

В квантовом мире не работает привычная нам логика. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Удивительно, но некоторые макроскопические объекты ведут себя по законам квантового мира. Пример тому – конденсат Бозе-Эйнштейна, открытый в 1990-е годы, крохотное облачко из миллионов атомов, которое ведет себя буквально как один огромный атом. Этот конденсат интересен и с технической точки зрения. Он может стать элементом квантового компьютера. Такого рода компьютеры, – предполагается, что они войдут в обиход в XXI веке, – гораздо эффективнее современных вычислительных машин.

Кошка Шрёдингера и Человек-Бог

^{В квантовом мире частицы движутся самым непредсказуемым образом}

^{Это не небо в облачный день. Это – квантовое электронное облако, модель распределения заряда вокруг ядра атома гелия} 

Нильс Бор сказал однажды: кто не шокирован квантовой физикой, тот не понял ее. А Ричард Фейнман обмолвился даже, что квантовую физику не понимает никто. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Для этих частиц любой наблюдатель – Бог. Принимаясь измерять параметры частицы, мы неизбежно меняем субатомарную явь. Мы заставляем неопределенное, неясное обретать четкие очертания. Но какое отношение это имеет к измеряемой реальности? Пока мы не всматриваемся в элементарную частицу, она пребывает одновременно во множестве состояний. Лишь в тот момент, когда мы измеряем ее параметры, она «решает», какое состояние ей принять.

Поясним это с помощью бытового примера. В нашем мире зрители, пришедшие на футбольный матч, на какой бы трибуне они ни сидели, видят, что спортсмены играют мячом одного и того же – допустим, белого – цвета. В квантовом мире тот же самый мяч мог бы одним болельщикам казаться «белым», другим – «черным»: например, половина наблюдателей видели бы одно, половина – другое. Предсказать, что увидит некий господин N, нельзя. Мяч, словно мифический Протей, будет без устали принимать один облик за другим, не повинуясь законам, к которым привыкли мы, жители макромира.

Еще одна странность. В квантовом мире одна и та же частица может одновременно пребывать в двух разных точках пространства. Точнее говоря, две разлетающиеся в стороны частицы могут вести себя так, словно это одна и та же частица. Как отмечают физики, «влияние одной частицы на другую, будь одна из них на Земле, а вторая на Марсе или еще дальше, передается с бесконечной скоростью». Эти частицы связаны между собой, на каком бы они расстоянии ни находились. Их можно сравнить с двумя игральными костями, на которых, сколько их ни кидай, всегда выпадают одни и те же цифры. Стоит нам лишь измерить свойства одной из таких связанных частиц, – например, ее спин, – как у ее «двойника» обнаруживаются те же самые свойства. Некоторые же частицы, – их называют «негативными близнецами», – наоборот, на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу. По словам Эрвина Шрёдингера, подобное дальнодействие – это «самая главная характерная особенность квантовой механики, которая заставляет полностью отказаться от классических представлений».

В свое время эта «странная телепатия», действующая быстрее света, побудила Альберта Эйнштейна назвать квантовую механику ошибочной. Лишь в начале восьмидесятых годов группа французских ученых доказала, что описанная нами «молниеносная» связь частиц является реальным фактом, а вовсе не порождением фантазирующего ума.

* * *

Пожалуй, самый известный пример, иллюстрирующий парадоксы квантового мира, это история «кошки Шрёдингера». Знаменитый австрийский физик придумал следующий мысленный эксперимент, стремясь продемонстрировать законы поведения элементарных частиц на примере макроскопических тел.

Представьте себе ящик, в котором заперта кошка. В том же ящике – бутылка с ядовитым газом. Она открывается с помощью фотоэлемента – тот сработает, едва распадется один-единственный атом радиоактивного вещества, находящийся здесь же. Распадется – кошка мертва. Еще нет – жива. Когда случится непоправимое? Не знает никто. То ли через секунду, то ли через час. Чтобы узнать, что сейчас с кошкой, надо открыть ящик и посмотреть, бегает ли наша мурлыка или же – жестокосердый эксперимент! – перешла в другое состояние. Пока мы не видим кошку, она может быть и жива, и мертва, она находится в любом возможном состоянии – или уж, воспользуемся русской идиомой, – она «ни жива ни мертва». В буквальном смысле слова.

Почему же в момент, когда мы открываем ящик, кошка обретает жизнь? Или смерть… Почему мы меняем параметры частицы, когда всматриваемся в нее? Что в этот момент происходит? Ведь не вырастает же в наших глазах собеседник, стоит бросить на него приветливый взгляд! И не скукоживается, если мы презрительно на него посмотрим… И телекинез по-прежнему остается мечтой. С элементарными же частицами это проще простого. «Элементарно, Ватсон!»

Как же удается моментально совершать переход из макроскопического мира в микроскопический? Почему мы принуждаем некий элемент реальности измениться, не совершая ничего? По одному взгляду – даже не по мановению.

Среди самых распространенных попыток объяснить происходящее – гипотеза декогерентности. Согласно ей, система может по причине внешнего воздействия утратить свои квантовомеханические свойства, и тогда она начнет вести себя в соответствии с законами повседневного мира.

Никто не знает, верна ли эта интерпретация. В последние годы ученые регулярно ставят эксперименты, пытаясь постичь происходящее в квантовом мире, а заодно и понять, где начинается этот мир. Где пролегает граница между микромиром и макромиром? Когда и как законы квантовой механики уступают место законам классической механики Ньютона?

Конденсат Бозе – Эйнштейна

Стоит произнести «квантовая механика», как нам представляются элементарные частицы, атомы или что-то подобное. На самом деле, формулы квантовой механики вполне применимы к макроскопическим телам. Главное, чтобы эти тела не взаимодействовали с внешним миром, чтобы они были идеально изолированы от него.

Неслучайно особый интерес ученых в последнее время вызывают макроскопические объекты, которые ведут себя по законам квантового мира. Пример тому – конденсат Бозе – Эйнштейна, крохотное облачко из множества атомов, охлажденных до сверхнизкой температуры – до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, когда тепловое движение практически замирает. Подобное облачко, находясь в магнитной ловушке, ведет себя буквально как один огромный «атом». Отдельные атомы, составившие его, теряют свободу; они перестают быть независимы друг от друга. «Атомы шагают в ногу», – как было метко сказано в одной из статей, посвященных данному явлению. Образовавшийся макроскопический квантовый объект достигает в поперечнике нескольких микрометров; он во много раз больше обычного атома. Теперь этот объект как единое целое реагирует на любые воздействия, хотя между отдельными его атомами почти не действуют никакие связывающие их силы.

^{Охлажденное до невероятной температуры облачко атомов начинает «шагать в ногу» – возникает конденсат Бозе – Эйнштейна}

^{Причудливый мир атомов. Слева: атомы натрия и йода на поверхности медной подложки. Справа: «стена», возведенная из атомов железа на медной подложке} 

«Обычно все атомы мельтешат, мчатся кто куда, но если их очень сильно охладить, они начинают вдруг маршировать строем, как армия. Разница почти такая же, как между электрической лампочкой и лазером: у лампочки все частицы света мчатся в разные стороны, а у лазера маршируют. Вот мы и сумели построить лазер, который излучает не свет, а вещество. Собственно говоря, все очень просто, не так ли?» – шутливо пояснял суть открытия немецкий физик Вольфганг Кеттерле, получивший впоследствии Нобелевскую премию за исследование этого конденсата, который представлял собой… новое состояние вещества.

Окружающие нас субстанции пребывают в жидком, твердом или газообразном виде. Однако теория допускает и другие агрегатные состояния. Например, все атомы вещества могли бы сконденсироваться на самом низком энергетическом уровне. Подобный объект должен был реагировать на любые воздействия как единое целое, хотя его частицы ничто не связывает. Его поведение можно было бы описать одной-единственной волновой функцией. Этот странный феномен предсказал в середине 1920-х годов Альберт Эйнштейн, анализируя расчеты, которые проделал индийский физик Шатьендранат Бозе. Данная метаморфоза должна произойти в непосредственной близости от абсолютного нуля по шкале Кельвина.

^{Готовится эксперимент по охлаждению вещества почти до абсолютного нуля и получению конденсата Бозе – Эйнштейна}

В самом деле, подобное состояние впоследствии наблюдалось, но получить его в чистом виде не удавалось никак. Так, в сверхпроводниках часть электронов пребывает в виде конденсата Бозе-Эйнштейна. В сверхтекучем гелии часть атомов тоже ведет себя, как единое целое.

В начале девяностых годов сразу в нескольких научных лабораториях «охотились» за конденсатом Бозе – Эйнштейна. Путь к нему пролегал через область сверхпроводящих материалов. Следующая отметка на пути ученых: 4,2 кельвина (около – 269 °С). При этой температуре гелий становится жидкостью. При температуре, равной 2 Кельвинам, он становится сверхтекучим, то есть, не испытывая трения, проникает в тончайшие капилляры.

Собственно область физики сверхнизких температур начинается при температуре ниже 2 Кельвинов. К середине 1990-х годов физикам удалось настолько усовершенствовать технологию охлаждения, что открытие нового состояния вещества казалось неминуемым.

Вот один из методов – так называемое лазерное охлаждение. Газ удерживается в магнитной ловушке, а на него направляется лазерный луч. Он поглощает часть кинетической энергии атомов, и это снижает температуру газа. В потоке световых квантов атомы газа тормозятся словно в «оптическом сиропе». Подобным способом в начале 1995 года удалось охладить газ из атомов цезия до температуры, равной 700 нанокельвинам, то есть 0,0000007 кельвина.

^{Все готово для получения конденсата Бозе – Эйнштейна} 

Но рекорд держался недолго. В том же году американские физики Эрик Корнелл и Карл Уайман из Национального института стандартов и технологий (Колорадо) сперва охладили газ, образованный из атомов рубидия, до 200 нанокельвинов, а чуть позже побили и этот температурный рекорд. Важную роль сыграл выбор газа. Атомы рубидия из-за их размеров легче охладить, чем, например, водород. Кроме того, при работе с ними конденсат легче обнаружить. В случае же с водородом газ может сконденсироваться, и никто ничего не заметит.

Рубидиевый газ предварительно охлаждали лазерами, а затем с помощью направленных радиоволн удаляли из магнитной ловушки самые горячие из атомов. «Происходило примерно то же, что и с чашкой кофе, которую остужают, дав испариться самым горячим частичкам напитка», – поясняет Эрик Корнелл.

Наконец, при температуре, равной 170 нанокельвинам, настал долгожданный момент: рубидиевый газ начал конденсироваться, его плотность резко возросла. Все больше атомов занимало самое выгодное энергетическое положение вместо того, чтобы распределяться по различным уровням, что характерно для обычного газа. В центре ловушки скопились две тысячи атомов. Их скорость и направление движения были одинаковы. Это состояние длилось около пятнадцати секунд.

«Когда исследователи поняли, что за добычу они поймали, всех охватило поразительное волнение. Ведь этот сгусток атомов вовсе не был обычным газом! Речь шла о новой форме вещества, которой приписывают диковинные свойства». Подобными сообщениями летом 1995 года пестрели страницы многих газет.

В первых комментариях к этому эксперименту говорилось, что конденсат Бозе-Эйнштейна мог бы задать новый эталон измерения времени. Что он мог бы проводить тепло лучше, чем металл. Что если сфокусировать его, получится луч, напоминающий лазерный. Подобный луч мог бы стать мощным орудием нанотехнологов. Используя его, можно было бы изготавливать куда более миниатюрные микросхемы, чем теперь.

«Мы проникли в совершенно новую область исследований, – признавался в одном из первых интервью будущий нобелевский лауреат Эрик Корнелл. – Перед нами открываются очень интересные феномены. Я думаю, что в ближайшие годы физика сверхнизких температур переживет свой ренессанс».

Начиная с 1995 года, физики сумели получить конденсат Эйнштейна-Бозе из атомов рубидия, натрия, водорода и гелия. Во всех случаях он состоял из бозонов – квазичастиц с целым спином (собственным моментом количества движения), стремящихся быть как можно ближе друг к другу.

В 1999 году был впервые получен и конденсат из фермионов – частиц с полуцелым спином, которые стараются держаться друг от друга подальше. В данном случае конденсат содержал атомы калия. Они соединялись попарно, образуя своего рода двухатомные молекулы с целым спином.

Это напоминало появление так называемых пар Купера в сверхпроводниках, то есть пар электронов, способных преодолеть взаимное отталкивание. В комментариях специалистов подчеркивалось: «Если бы удалось перевести фермионный конденсат в твердое состояние, то получившееся вещество могло бы иметь свойства высокотемпературного сверхпроводника».

«Изучение фермионных конденсатов может значительно продвинуть исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку механизм образования пар атомов имеет тот же характер, что и образование пар Купера, но при этом атомы значительно более устойчивы к влиянию высоких температур», – писал журналист «Известий» Петр Образцов.

^{Идет эксперимент с конденсатом Бозе – Эйнштейна} 

Наконец, в апреле 2001 года появились сообщения о том, что сотрудники Rice University (Хьюстон, Техас) получили особое состояние вещества: в нем одновременно присутствовали и бозонный, и фермионный конденсаты.

Группа ученых – ее возглавлял Рэндалл Халет – проводила опыты со смесью, содержавшей изотопы лития-6 и лития-7. Атомы последнего ведут себя, как бозоны, поскольку состоят из четного числа элементов: четырех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Атомы лития-6 принадлежат к фермионам. Они состоят из нечетного числа частиц: трех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Два одинаковых фермиона не могут находиться в одном и том же месте, двигаться с одной и той же скоростью, в одном и том же направлении.

^{На мониторе растрового туннельного микроскопа видны горы, сложенные из атомов}

Когда атомарное облако охладили до миллионной доли градуса Кельвина, в самом центре магнитной ловушки расположились атомы лития-7; они образовали компактное облако диаметром около полумиллиметра. При дальнейшем охлаждении оно быстро уменьшалось. Фермионное облако было диффузным, и размеры его мало менялись. В нем действовало так называемое давление Ферми, которое мешало атомам даже при столь низкой температуре скапливаться посредине ловушки. Американские ученые предполагают, что и при более низких температурах фермионное и бозонное облака избегают друг друга и стремятся отдалиться. Подобное явление наблюдалось также в смеси из жидкого гелия-3 и гелия-4.

Любопытны и другие исследования конденсата Бозе – Эйнштейна.

Так, Эрик Корнелл и Карл Уайман в опыте с конденсатом из атомов изотопа рубидия добились быстрого чередования сил притяжения и отталкивания атомов. Это привело к почти взрывному расширению конденсата, напоминавшему взрыв сверхновой звезды. Ученые окрестили данный процесс: «Bose-Nova».

Немецкие физики Йозеф Фортаг и Теодор Хенш, получивший Нобелевскую премию по физике в 2005 году, независимо друг от друга изготовили микросхему, которой можно управлять с помощью капли конденсата Бозе – Эйнштейна. Используя ее, можно накапливать и передавать информацию.

Вольфганг Кеттерле показал, что от конденсата Бозе – Эйнштейна можно «отщипывать» кусочки. Это позволит построить атомный лазер, который будет генерировать излучение вещества, а не света. Конденсат представляет собой идеальную вещественную волну подобно тому, как лазерный свет – идеальную электромагнитную волну. Отдельные его атомы можно описывать волновой функцией, как и когерентный свет. Однако длина волны атомов значительно меньше, чем длина световой волны. С помощью атомного лазера можно создавать самые крохотные структуры, перемещая атомы с точностью до нанометра. Это открытие принесет ощутимый прогресс в нанотехнологии. Преимущество атомных лазеров перед традиционной светооптикой заключается в их чрезвычайно высокой точности. «Применение атомного лазера, – говорит Теодор Хенш, – это, насколько мне известно, самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их».

^{«Применение атомного лазера, – говорит Теодор Хенш, – это… самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их»}

«Конденсат Бозе – Эйнштейна, – отмечает Кеттерле, – открывает путь к созданию и исследованию совершенно новых материалов». Так, плоские полосы или ленты из конденсата «обладают абсолютно иными свойствами, чем трехмерные объекты. Это – совершенно иная физика».

Конденсат идеально подходит для экспериментального исследования свойств квантовых систем. Кроме того, его можно рассматривать как модель макроскопических систем, в которых множество частиц вынуждены взаимодействовать друг с другом. Так, можно создать «оптическую решетку» из световых волн и поместить внутри нее конденсат Бозе – Эйнштейна. Получится своеобразный объект, в котором охлажденные атомы газа будут располагаться строго в определенных точках пространства – почти как атомы в кристаллической решетке. Этот чрезвычайно охлажденный газ можно использовать в лабораторных экспериментах как упрощенную модель твердого тела. Возможно, эксперименты с конденсатом Бозе-Эйнштейна помогут, наконец, точно описать механизм высокотемпературной сверхпроводимости.

Остается добавить, что, по сообщению газеты «Известия», «крупнейшие российские специалисты по конденсатам Бозе-Эйнштейна работают за границей: академик Владимир Захаров – в США, академик Лев Питаевский – в Италии. Эксперименты в этой области в России не ведутся».