абсолютный ноль

Квантовая лаборатория похожа на кухню, где повар ждёт сутки, пока остынет плита. Сверхпроводящие кубиты работают только при температуре в сотые доли кельвина, и каждый цикл «охладить — измерить — согреть» съедает день. Группа инженеров построила холодильник размером с дыню и массой 3 кг, который справляется за два часа.

Сверхпроводник — это материал, в котором электричество течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если его слегка сжать, как пружину, свойства меняются. Учёные давно хотели измерить, сколько тепла поглощает такой сжатый материал, но приборы не помещались в тесную установку. Теперь они придумали способ обойти это препятствие.

Обычный компьютер обрабатывает информацию, перемещая электрические заряды по проводникам. Но возможен и иной подход — вычисления с помощью тепла. Представьте сеть трубок, по которым течёт горячая и холодная вода: если соединить трубки в определённом порядке, такая система сможет выполнять простые логические операции.

Бросьте в пруд камешек — и по воде пойдут круги. Примерно так же любое тело, даже самое маленькое, возмущает гравитационное поле вокруг себя. В пустом холодном космосе эти возмущения, словно рябь на тихой глади, заставляют два близких объекта всегда отталкиваться. Это явление называют гравитационным взаимодействием Казимира–Полдера.

У чёрной дыры три закона термодинамики — как у идеального газа. Первый: энергия не исчезает. Второй: площадь горизонта событий не убывает. А третий, самый капризный, требует, чтобы при нулевой температуре энтропия (мера беспорядка) стремилась к нулю или общей постоянной.

Космологическая стандартная модель — это фундаментальная теоретическая схема, описывающая эволюцию Вселенной, — похожа на рецепт пирога, где всё строго отмерено: тёмная материя — гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитных взаимодействиях, — как мука без комочков (давление ноль), а тёмная энергия — загадочная субстанция…

Всё началось с растяжения. В первые доли секунды Вселенная раздулась — физики называют это инфляцией: экспоненциальное расширение, за которым стояло скалярное поле с огромной потенциальной энергией. Потом стремительное расширение сменилось фазой, где энергия поля перешла в обычные частицы.

Река раздваивается. Один рукав — широкий и быстрый, вода в нём течёт плавно, но с повышением температуры течение замедляется: появляются водовороты и волны. Второй рукав — узкий, с порогами, где вода перепрыгивает с камня на камень. Этот поток, наоборот, с прогревом становится живее.

Сверхтекучесть — состояние, в котором материя течёт без трения, — долго оставалась неуловимой в нейтральных бозе-конденсатах экситонов. В отличие от сверхпроводников, где магнитное поле вытесняется эффектом Мейсснера, здесь знаком стал сам голос квантовой жидкости — скорость звука.

Черная дыра внутри устроена слоями, как луковица. В новой модели вместо бесконечной точки в центре — три области: плотное ядро, переходный слой и корка под самым горизонтом. Все они возникают из одного поля, которое само с собой взаимодействует. Ядро — это область отрицательной энергии, похожая на конденсат частиц без движения.

Обычно сверхпроводимость — это история про холод. Чем ниже температура, тем легче электронам объединиться в пары и течь без сопротивления. Но в новой работе физики вырастили тонкие плёнки никелатов с добавкой европия и увидели обратную картину.

Солнце — гигантский ядерный реактор, который непрерывно шлёт нам свет и тепло. Но есть у него и другая, почти беззвучная почта: каждую секунду сквозь квадратный сантиметр вашей ладони пролетают десятки миллиардов нейтрино — частиц-призраков, рождённых в термоядерном горниле. Большинство из них не оставляют и следа.

В центре многих галактик прячется невидимое гало из тёмной материи — оно удерживает звёзды на окраинах, не давая им разлететься. Долгое время его описывали как разреженный газ частиц, но новая работа предлагает иной взгляд: тёмная материя может собираться в квантовую каплю.

Кастрюля с водой закипает всегда одинаково: сто градусов — и пошли пузыри. С квантовыми жидкостями всё иначе. Когда облако атомов охлаждают почти до абсолютного нуля, оно может превратиться в единую волну материи — конденсат Бозе — Эйнштейна. Но сам переход, как выяснилось, бывает трёх разных типов.

Обычная чёрная дыра — как печка, которая греет тем сильнее, чем меньше её масса. Крошечная дыра должна раскаляться до немыслимых температур и мгновенно испаряться. Но этот сценарий не учитывает квантовых поправок — того, что происходит, когда сама ткань пространства-времени начинает дрожать.

Световой луч скользит вдоль горизонта чёрной дыры — той невидимой границы, откуда ничто не может вырваться. Чем ближе луч к горизонту, тем медленнее тянется его собственное «время» — особая мера пути, называемая аффинным параметром. Этот параметр нарастает не плавно, а взрывным образом, как снежный ком, катящийся с горы: каждый следующий миг приносит всё больший прирост.

Переполненный зал, где танцоры скользят без малейшего трения — проходят друг сквозь друга, не задевая. Это сверхтекучая жидкость. В коре нейтронной звезды так могли бы вести себя нейтроны, но им мешает жёсткая решётка из ионов — будто танцпол внезапно утыкали частыми столбами. Обычно считалось, что решётка стоит мёртво, и сверхтекучесть почти исчезает.

Кастрюля с водой на плите рано или поздно успокаивается: температура выравнивается, жидкость перестаёт бурлить. Физики называют это тепловым равновесием — состоянием, в котором энергия распределяется самым вероятным способом.

Алюминиевая кастрюля на плите плавится при 660 градусах Цельсия — это знает каждый. Но что будет, если нагреть алюминий в сто раз сильнее? Жидкость начнёт кипеть, и вот тут начинается загадка: при какой именно температуре это происходит?

Раскалённый кусок металла в печи — как сковорода на плите: чем сильнее жар, тем быстрее тепло уходит в руку, если дотронуться. Но при температурах, где металл уже близок к плавлению, измерить эту скорость очень трудно: датчики плохо прилегают, тепло утекает в воздух, а сам образец светится и путает приборы. Новый метод обходит эти препятствия.

Квантовая система может обладать свойством, которое называют магией. Это не фокусы, а мера того, насколько трудно воспроизвести её поведение на обычном компьютере. Обычные состояния — их называют стабилизаторными — компьютер считает легко. А вот состояния с магией ставят его в тупик. Проблема в том, что проверить, есть ли магия, обычно значит измерить систему вдоль и поперёк — трудоёмко и дорого.

Сверхпроводимость — это когда электрический ток течет без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Обычно она возникает при очень низких температурах, но есть материалы, где она появляется при более высоких.

В сверхтекучем гелии вихрь похож на смерч в бутылке, но вместо воды — квантовая жидкость, которая течёт без трения. Такой вихрь не рассеивается сам по себе, поэтому вопрос, куда девается его энергия, долго оставался открытым. Теперь физики впервые увидели ответ: вихрь испускает квант звука — ротон.

Обычная алюминиевая кастрюля на плите не испускает молекулы, которые можно поймать светом. Но если взять алюминий и соль алюминия, нагреть их вместе в маленькой печи, получится поток молекул фторида алюминия — как струя пара из носика чайника, только вместо капель воды летят крошечные частицы.

Представьте оркестр, где каждый музыкант играет одну и ту же ноту, — звук сливается в мощный унисон. Так рождается конденсат Бозе — Эйнштейна: множество частиц-бозонов при крайне низкой температуре переходят в единое квантовое состояние и ведут себя как одно…

В гелии, охлаждённом почти до абсолютного нуля, жидкость перестаёт тереться сама о себя и начинает течь без малейшего сопротивления. Физики запустили в такой сверхтекучий гелий крошечные полимерные шарики — от одного до шести микрометров, как бактерии, — и следили за их падением сквозь лазерную подсветку. Шарики светились, и их пути записывала камера.

Кристалл урана размером с рисовое зерно охладили до пятидесятой доли градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре тепло переносится не хаотично, а строго по правилам квантового мира. Учёные направляли тепло через образец и следили, как оно расходится по разным осям кристалла — это как проверять, куда быстрее растекается вода по складкам бумаги.

Горячая цепочка атомов, выстроенных в линию, ведёт себя как крошечная чёрная дыра. Такая цепочка — это ряд частиц, каждая из которых похожа на крошечный магнит. При обычной температуре магнитики хаотично переворачиваются, но если их охладить, они выстраиваются в едином порядке. Физики обнаружили, что при нагреве эта простая система повторяет странные свойства чёрных дыр.

В тёмной камере, где температура лишь на четыре градуса выше абсолютного нуля, лежит кристалл сапфира размером с рисовое зерно. Когда сквозь него пролетает нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещество, — кристалл вздрагивает и нагревается на ничтожную долю градуса. Этот тепловой отклик ловят сверхчувствительные датчики на краях кристалла.

Вода в кастрюле при нагреве не закипает, а превращается в лёд. Примерно так ведут себя ультрахолодные атомы в оптической решётке — световой кристаллической сетке, удерживающей атомы на местах. Учёные смоделировали эту систему на компьютере, чтобы понять, как меняется порядок при повышении температуры.

Жидкость, которая течёт без трения, — это сверхтекучий гелий-4, странное состояние вещества при температурах ниже двух кельвинов. В большом объёме переход в сверхтекучесть происходит при температуре лямбда-точки, но в узких каналах всё меняется.

Сверххолодные молекулы — перспективный материал для квантовых вычислений, но собрать их в аккуратный массив, как яйца в коробке, непросто. Предложен способ загружать по одной молекуле в оптические пинцеты или решётки прямо из газа. Молекулы при этом сразу оказываются в самом спокойном состоянии движения.

Обычный проводник пропускает ток одинаково в обе стороны, как дверь, которая открывается и внутрь, и наружу. А диод — это дверь с доводчиком: в одну сторону она распахивается легко, а в другую упирается.

Крошечное облако из 300 тысяч атомов иттербия, охлаждённое почти до абсолютного нуля, прокатили на световой дорожке длиной 34 сантиметра — как будто перевезли хрупкий груз по ухабистой дороге, не растряся.

Квантовая запутанность — нелокальная связь между частицами, при которой изменение состояния одной мгновенно отражается на другой, — хрупка, как тонкий лёд в топке: даже слабый нагрев разрушает её.

Рентгеновский фотон влетает в датчик, как камешек в спокойную воду. Вода — это тонкая плёнка из алюминия и марганца, охлаждённая почти до абсолютного нуля. От удара по плёнке расходится волна тепла, и по её высоте можно понять, сколько энергии принёс фотон.

Свет и вещество в крошечном мире ведут себя по законам, которые трудно просчитать даже на суперкомпьютере. Физики строят специальные «квантовые тренажёры» — установки, где холодные атомы играют роль частиц и полей. Но до сих пор такие тренажёры могли изображать поле лишь в самом простом виде: как будто оно либо есть, либо нет. Настоящий же свет обладает бесконечным числом оттенков.

Горячий кофе остывает, излучая невидимый свет — инфракрасные фотоны. Чтобы температура оставалась постоянной, чашка должна получать ровно столько же фотонов обратно. Этот безмолвный обмен фотонами — то, что мы ощущаем как устойчивое тепло.

Охлаждение часто ассоциируется с наведением порядка: при замерзании молекулы воды выстраиваются в жёсткую кристаллическую решётку. Однако в квантовом мире снижение температуры способно порождать порядок куда более причудливый.

Сверхпроводник похож на город, где электроны перестают толкаться и начинают двигаться парами, как люди, идущие рука об руку. В никелате неодима-стронция (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂) этот «парад» возникает при температуре около 10 кельвинов (минус 263 градуса Цельсия), но не везде одинаково.