квантовый газ

Если толкнуть воду в узком канале слишком быстро, возникает крутая волна, которая обрушивается пеной. В мире сверххолодных атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля, такой волне не дают обрушиться квантовые законы. Физики взяли облако атомов рубидия, вытянутое в тонкую нить — такую систему называют квантовой жидкостью, — и резко сжали его с одного конца подвижной стенкой из света.

В ультрахолодном облаке атомов, охлаждённом почти до абсолютного нуля, возникают области с разной ориентацией спинов — собственных моментов импульса частиц, которые можно представить как крошечные магнитики. Эти области похожи на участки с разной намагниченностью, а границы между ними называют доменными стенками.

Чёрная дыра — не просто космический пылесос. Если она вращается, то способна усиливать волны вокруг себя, как горное эхо повторяет звук. Для сверхлёгкой тёмной материи — гипотетических частиц в миллиарды раз легче электрона — этот эффект, называемый сверхизлучением, может создать огромное облако.

Плазма — это не просто горячий газ, а целый оркестр заряженных частиц, где каждая группа играет свою партию. Тяжёлые ионы (атомы, потерявшие электроны) задают медленный ритм, а лёгкие электроны носятся в десять тысяч раз быстрее.

В центре многих галактик прячется невидимое облако — гало из тёмной материи. Если эта материя достаточно холодная и лёгкая, она ведёт себя как сверхтекучая жидкость: течёт без трения, а любое вращение в ней закручивается в крошечные квантовые вихри — нити размером с атомное ядро.

При температурах в миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля рождается конденсат Бозе–Эйнштейна — состояние, где тысячи атомов маршируют в одном квантовом ключе.

Одинокий атом калия попадает в плотное облако из атомов натрия, охлаждённое почти до абсолютного нуля. Такая среда называется конденсатом Бозе — Эйнштейна — все частицы в нём сливаются в единую квантовую волну. Можно было ожидать, что примесь просто подберёт себе одного соседа и образует пару. Но эксперимент показал нечто иное.

В квантовом мире частицы могут сливаться в единую жидкость, которая течёт без трения. Одна из самых загадочных её форм — дробная квантовая жидкость Холла. В ней электроны или атомы двигаются как единый вихрь, а их заряд дробится на части, словно пирог, нарезанный на идеально ровные куски.

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.

Временной кристалл напоминает вечные часы: его атомы сами собой совершают ритмичные движения. В обычных часах маятник толкает пружина или батарейка, а здесь движение возникает без подвода энергии — система просто возвращается к исходному состоянию через равные промежутки. Эту идею выдвинул Фрэнк Вильчек в 2012 году.

Две параллельные струи атомов, выпущенные из бозе-конденсатов, начинают свой путь в свободном падении. В классической картине их разделение остаётся неизменным — как два лыжника, скользящие по безупречно ровному склону. Но если пространство-время — не застывший снег, а живая, колышащаяся мембрана, то каждый её трепет передаётся материи.

Кастрюлю с водой только что перестали мешать: воронки и водовороты постепенно успокаиваются, жидкость становится гладкой. Похожий процесс, но в квантовом мире, происходит в сверхтекучем гелии или в облаке ультрахолодных атомов. Только вместо водяных воронок там — невидимые вихревые нити, тончайшие квантовые «смерчи», пронизывающие вещество.

Представьте два хора в звуконепроницаемых комнатах на шаткой сцене. Они поют, но не слышат друг друга — воздух не доносит мелодию. И всё же, если сцена дрожит, её вибрации связывают их песни. На этой идее построена новая проверка квантовой гравитации.

Холодное облако атомов похоже на рой светлячков, которые тянутся друг к другу. Притяжение между атомами пытается собрать их в один плотный ком. Но квантовое дрожание — неустранимое движение частиц — мешает кому схлопнуться. Когда притяжение сильное, облако разбивается на отдельные сгустки.

Брошенный камень падает с ускорением, и по времени падения можно вычислить силу тяжести. Учёные повторяют этот опыт с облаком атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Такое облако падает в вакуумной камере, а лазерные импульсы делят его волны, как свет в интерферометре. По сдвигу волн измеряют гравитацию с огромной точностью.

Сверххолодное облако атомов, пойманное в ловушку из лазерного света, умеет «дышать»: оно ритмично сжимается и расширяется, как лёгкие. Физики давно умеют наблюдать это дыхание, но только теперь поняли, что его размах — не просто красивая картинка, а точный измеритель скрытых энергетических дрожаний внутри облака.

Вода в чашке остывает за минуты. Газ в комнате заполняет её равномерно за секунды. Но если загнать атомы в трубу толщиной с луч лазера и хорошенько их возбудить, они будут «остывать» к равновесию несколько секунд — целую вечность по атомным меркам.

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…

Светлячки вспыхивают в тёмном лесу — видно каждую вспышку, но не видно полёта. Квантовый газовый микроскоп умеет показывать отдельные холодные атомы, как те светлячки. Но до сих пор он не мог сказать, с какой скоростью они движутся. Теперь учёные нашли способ это исправить. Они предлагают подсвечивать атомы особым образом, чтобы те как бы «отбрасывали тень» на соседние вспомогательные частицы.

В цепочке оптических ловушек, подобно линии прибрежных фортов, удерживаются атомы. Рядом с ними — квантовое море: конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние вещества с нулевым сопротивлением, где частицы движутся как единая волна.

Долгое время космологи не могли заглянуть за точку начала — бесконечно плотную сингулярность Большого взрыва, где уравнения общей теории относительности Эйнштейна теряют предсказательную силу.

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.

В сверххолодном облаке атомы калия ведут себя как волны, которые могут складываться и усиливать друг друга — примерно как звуковые волны в музыкальном инструменте создают громкий аккорд. Физики научились управлять этим процессом, меняя силу взаимодействия между атомами с помощью магнитного поля.

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.

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.

Тёмная материя — невидимый океан, который, как показали наблюдения Веры Рубин за скоростями звёзд на окраинах галактик, удерживает их от разлёта: гравитационное притяжение этого океана компенсирует центробежную силу.

В лабораториях на Земле конденсат Бозе — Эйнштейна получают, охлаждая облако атомов до миллиардных долей кельвина. Атомы теряют индивидуальность и сливаются в одну квантовую волну, которая ведёт себя как единое целое. Но в космосе такие условия не нужны: гравитация сама создаёт глубокие колодцы, где вещество сжимается и остывает до состояния квантового тумана.