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.