Абсолютный холод

АрхивЧеловек и Общество

Ученым удалось охладить газ, состоящий из атомов натрия, до рекордно низкой температуры - всего полмиллиардной доли градуса выше абсолютного ноля!

Как известно, самой низкой возможной температурой или так называемым абсолютным нулём является -273 градуса по шкале Цельсия (0 градусов Кельвина или - 460 по Фаренгейту). Поскольку температура вещества является мерой общего движения атомов, его составляющих, при абсолютном нуле теоретически какое-либо движение атомов полностью прекращается. Долгое время считалось, что самым холодным местом в известной Вселенной является космос, где температура некоторых газовых туманностей может достигать всего 3 градусов выше абсолютного нуля.

12 сентября в журнале Science была опубликована статья, посвященная работе исследователей Массачусетского технологического института, в которой они заявили о небывалом достижении - им удалось охладить газ, состоящий из атомов натрия, до рекордно низкой температуры - всего полмиллиардной доли градуса выше абсолютного ноля! Это в 6 раз ниже предыдущего рекорда и впервые - ниже отметки 1 нанокельвин (1 миллиардная градуса).

Сверхнизкие температуры были впервые получены в 1995 году, когда совместными усилиями учёных Университета Колорадо г. Боулдер (в частности, Эрика Корнелла (Eric Cornell) и Карла Вимана (Carl Wieman)) и Массачусетского технологического института во главе с Вольфганом Кеттерле (Wolfgang Ketterle) удалось охладить атомарный газ до температуры ниже 1 микрокельвина.


При такой температуре атомы переходят в одинаковое квантовое состояние и начинают двигаться согласовано (а не хаотично, как при обычных температурах). Данное состояние материи получило название конденсата Бозе-Эйнштейна в честь индийского учёного Сетиендра Нат Бозе (Satyendra Nath Bose) и Эйнштейна, спрогнозировавшего наблюдаемые характеристики материи при сверхнизких температурах ещё в 1924.

В 2001 году за открытие конденсата Бозе-Эйнштейна Кеттерле, Корнелл и Виман были удостоены Нобелевской премии в области физики. Разработанная ними методика в последствии позволила получать температуры уже в несколько нанокельвинов. До последнего времени пределом охлаждения было 3 нК.

И вот, наконец, физикам всё того же Массачусетского технологического института во главе с В. Кеттерле удалось достичь нового рекорда охлаждения - ниже 500 пикокельвинов! Сделать это стало возможным благодаря разработке ряда новых технологий охлаждения и удержания атомов. Не влезая в технические подробности, в общих чертах действия учёных можно описать следующим образом.

Сначала натрий, который при комнатной температуре, как известно, пребывает в твёрдом состоянии, испаряется благодаря нагреванию до 300 С. В дальнейшем полученный газ проходит несколько стадий охлаждения, причём на каждой из них количество атомов газа постепенно сокращается. Все процессы происходят в вакууме. Сперва газообразный натрий прогоняют сквозь метровую трубку, в которой атомы сталкиваются с фотонами, испускаемыми лазером. Благодаря столкновениям, атомы газа в долю секунды снижают скорость движения с 1000 до 30 м/с. Далее они поступают в ёмкость сферической формы, где происходит дальнейшая "бомбардировка" газа лазерами. После этого атомы направляются в так называемую "гравито-магнитную ловушку". Разработка последней была одним из ключевых моментов в реализации проекта. Известно, что в каком-либо обычном физическом контейнере удержать сверххолодный газ уже невозможно - атомы "прилипают" к стенкам, тем самым делая вещество непригодным для дальнейшей работы. Поэтому был создан контейнер, в котором атомы удерживаются благодаря воздействию магнитных и гравитационных сил: охлаждаясь, они замедляют движение и "оседают" под действием гравитации, тогда как снизу поддерживаются благодаря отталкивающему действию магнитного поля. Атомы, двигающиеся с наибольшей скоростью, покидают систему, тем самым дополнительно снижая её энергию. Уменьшив мощность "гравито-магнитной ловушки", учёные позволили оставшемуся газу расшириться, что привело к окончательному падению температуры (как известно, повышение давления приводит к росту количества столкновений и температуры системы, тогда как расширение вызывает противоположный эффект). В конечном результате, в руках экспериментаторов осталось всего около 2500 атомов натрия, зато охлаждённых до 450 пК. При такой температуре скорость движения атомов составляет всего порядка 1 мм в секунду, тогда как при комнатной температуре они двигаются со скоростью реактивного самолёта.

Вполне вероятно, что участники проекта метят на место в Книге Гиннеса, однако исследования характеристик веществ при сверхнизких температурах преследуют и важные практические цели. Не исключено, что в своё время использование "сверххолодной" материи позволит значительно повысить точность измерений. На текущий момент сказанное относится к повышению точности работы атомных часов, а также связанной с ними Глобальной системы навигации и определения местоположения (GPS). Другой, несколько более отдалённой перспективой применения свойств "сверххолодной" материи является создание сверхбыстрых квантовых компьютеров.