Космический холод сплачивает атомы

Увеличение пика конденсата при снижении его температуры. Иллюстрация Physorg

В 1925 году Альберт Эйнштейн на основе работ индийского физика Шатьендраната Бозе теоретически предсказал, что будет происходить, если охладить атомы до абсолютного нуля, то есть до 273 градусов ниже нуля по Цельсию. Состояние вещества при этих условиях получило название «конденсат Бозе–Эйнштейна» (BEC). Лишь в 1995 году ВЕС был воспроизведен в лаборатории, за что три американца были удостоены Нобелевской премии по физике за 2001 год. Сегодня ВЕС воспроизводится в сотнях лабораторий, но впервые один из лауреатов и другие пять групп хотят получить этот феномен на космической орбите с ее близкой к нулевой гравитацией.

Уникальность конденсата сверхохлажденных атомов как квантового феномена в том, что атомы начинают вести себя как единое целое. Это проявляется в формировании остроконечного пика, высота которого тем больше, чем меньше остается наночастей градуса Кельвина (его миллиардных долей). Проблема, однако, в том, что в земных условиях конденсат под влиянием тяготения сохраняется не более секунды, что не дает возможности детально исследовать фундаментальные вопросы современной физики.

Для преодоления гравитационного барьера была предложена «холодная атомная лаборатория» (CAL – Cold Atom Laboratory), выведенная на орбиту и установленная на Международной космической станции (МКС). Она представляет собой два рефрижераторных «ящика», внутри одного из которых имеется двухконтурная магнитная ловушка атомов рубидия, по трем осям «обстреливаемая» лазерными лучами. Лучи «отнимают» кинетическую энергию атомов, которые постепенно теряют свою подвижность и при температуре ниже 100 нанокельвин начинают вести себя как один атом. Можно заметить, что температура за бортом станции около 3 градусов по Кельвину (–270 по Цельсию), что в 30 млн раз выше температуры ловушки!

Два магнитных контура атомной ловушки, «обстреливаемой» тремя лучами лазеров. Иллюстрация Physorg

Преимущество CAL заключается также и в том, что нужные ученым эксперименты могут проводиться ежедневно в течение длительного времени. Немаловажно и то, что ВЕС в космических условиях сохраняется не менее 10 секунд и что он может воспроизводиться в течение дня на протяжении шести часов и без участия членов экипажа (в земных лабораториях огромная масса оборудования требует неусыпного внимания многих ученых).

С орбиты сообщают, что пока удалось достичь температуры охлаждения 130 нанокельвин, но вроде бы ничто не мешает приблизиться к 50, а то и, возможно, к 40. Многие наземные лаборатории активно желают принять участие в космических экспериментах, поскольку более точных атомных часов в распоряжении ученых еще не было. А с их помощью возможна поверка фундаментальных констант и проверка их реальной устойчивости.

Орбитальная холодная атомная лаборатория позволит также проверить разные технологии охлаждения атомов в условиях адаптации к ничтожно малой гравитации. Создатели лаборатории обещали начать разнообразные опыты уже в сентябре 2018 года, и ее рабочий цикл может продлиться три года.