Самые холодные вещества в мире не в Антарктиде,
не на вершине Эвереста
и не в недрах ледника.
Они в лабораториях физиков,
это газы, имеющие температуру едва выше абсолютного ноля.
Это в 395 миллионов раз холоднее, чем в холодильнике,
в 100 миллионов раз холоднее, чем жидкий азот,
и в 4 миллиона раз холоднее космического пространства.
Такие низкие температуры позволяют учёным исследовать строение веществ,
а инженерам — создавать высокочувствительные инструменты,
которые позволяют нам узнавать больше обо всём —
от нашего точного местонахождения на планете
до происходящего в дальних уголках вселенной.
Как создать такую экстремальную температуру?
Если коротко, то путём замедления движущихся частиц.
Говоря о температуре, мы на самом деле говорим о движении.
Атомы, из которых состоят твёрдые вещества,
жидкости
и газы,
находятся в постоянном движении.
Когда атомы движутся быстро, вещество кажется горячим,
когда медленно — холодным.
В повседневной жизни для того, чтобы охладить предмет или газ,
мы помещаем его в более холодную среду, например холодильник.
Движение атомов передаётся окружающей среде,
и предмет охлаждается.
Но этому есть предел:
даже в космосе слишком тепло для создания ультранизких температур.
Поэтому учёные нашли способ замедлять атомы напрямую —
лазерным лучом.
В большинстве случаев
энергия лазерного луча нагревает вещества,
но есть способ, при котором
эта энергия может замедлять атомы, охлаждая их.
Это происходит в магнито-оптической ловушке.
Атомы помещаются в вакуумную камеру,
и магнитное поле притягивает их к центру.
Луч лазера, направленный в центр камеры,
имеет частоту, при которой
атом поглощает фотон луча и замедляется.
Эффект замедления происходит из-за переноса энергии
между атомом и фотоном.
Шесть лучей, пересекающихся перпендикулярно,
захватывают атомы независимо от направления движения.
В центре, месте пересечения лучей,
атомы двигаются медленно, как будто увязли в жидкости.
Этот эффект учёные назвали «оптическая патока».
Такая магнито-оптическая ловушка
может остужать атомы до нескольких микрокельвинов —
около –273 градусов Цельсия.
Этот метод был разработан в 1980-х годах,
а учёные, работавшие над ним,
получили в 1997 году Нобелевскую премию по физике.
Метод был усовершенствован и сейчас позволяет опускать температуру ещё ниже.
Почему важно охлаждать атомы так сильно?
Во-первых, холодные атомы — хорошие детекторы.
Имея очень мало энергии,
они чувствительны к колебаниям в среде,
что позволяет использовать их при поиске нефти и полезных ископаемых.
Также они используются в высокоточных атомных часах,
таких, как в спутниках GPS.
Во-вторых, холодные атомы обладают мощным потенциалом
расширить возможности физики.
Сверхчувствительность может позволить применять их
для регистрации гравитационных волн в детекторах в космосе.
Также они помогают изучать атомные и субатомные явления,
что требует измерения очень слабых колебаний энергии атомов.
Эти колебания невозможно замерить при обычной температуре,
когда атомы движутся со скоростью сотен метров в секунду.
Лазер замедляет их скорость до нескольких сантиметров в секунду,
чего достаточно для того, чтобы атомные квантовые эффекты стали видимыми.
Ультрахолодные атомы уже позволили учёным изучать явления
вроде конденсации Бозе-Эйнштейна,
когда атомы охлаждаются почти до абсолютного ноля
и переходят в новое редкое состояние вещества.
Таким образом, для того, чтобы понять законы физики
и разгадать тайны вселенной,
учёным понадобятся её самые холодные атомы.