измерение температуры

Представьте гитарную струну, зажатую между двумя порожками. Если ударить по ней, возникнет стоячая волна: одни точки струны колеблются сильно, а другие, узлы, остаются почти неподвижными. Примерно так же ведёт себя хромосфера — слой солнечной атмосферы, зажатый между фотосферой и короной.

Канарейку брали в шахту не ради песен. Птица падала с жёрдочки раньше, чем шахтёр замечал угарный газ. В сверхвысоком вакууме роль канарейки играет облако из ста тысяч атомов лития или рубидия. Лазер охлаждает их до десятков микрокельвинов, и они повисают в неглубокой магнитной ловушке, глубина которой всего около одной тысячной кельвина.

Обычная лампа светит ровно, а маяк — короткими вспышками. Учёные из Лондона заставили крошечный алмаз работать как маяк, но не для света, а для радиоволн. Для этого в кристалл добавили немного азота, а затем осветили его зелёным лазером.

Лазерный луч бьёт по тонкой мишени, спрятанной внутри слоёв другого материала. За миллиардные доли секунды вещество сжимается до плотности 25 грамм на кубический сантиметр — это как если бы кусок свинца стал в два с лишним раза тяжелее, оставаясь на месте. Температура подскакивает до 20 электронвольт, что примерно в 230 тысяч раз горячее комнатной.

Когда на кухне раскаляется сковорода, рука чувствует жар ещё до прикосновения — это инфракрасное излучение, невидимое глазу, но ощутимое кожей. Солнечный телескоп улавливает похожее невидимое тепло, только исходящее от звезды, а не от плиты.

Радиоприёмник размером с ладонь способен измерить мощность сигнала точнее дорогих лабораторных стендов. Внутри нет катушек и антенн — только стеклянная головка и облачко атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы парят в перекрестье лазерных лучей, удерживаемые не магнитами, а силой света — как мошка в капле сиропа.

Низкочастотные радиоволны (от 30 до 300 килогерц) несут информацию сквозь толщу воды и земли. Но поймать их обычной антенной трудно: длина волны достигает нескольких километров, и маленький приёмник почти не чувствует такое поле. Физики нашли выход — они сделали антенной одиночный ион. Ион кальция-40 подвесили в вакууме с помощью электрических полей на поверхности чипа.

В комнате воздух касается кожи, и мы чувствуем его температуру. Но если бы тело вдруг понеслось с колоссальным ускорением, тепло пришло бы даже из абсолютной пустоты. Это не выдумка, а строгое следствие квантовой теории поля: для ускоряющегося наблюдателя вакуум становится тёплой ванной.

Реликтовое излучение — это послесвечение Большого взрыва, которое мы видим на миллиметровых волнах. Но у него есть и длинноволновый хвост, уходящий в радиодиапазон. На волнах длиннее 21 сантиметра этот свет начинает поглощаться нейтральным водородом, разбросанным в далёком космосе.

Свет может быть не просто лучом, а точнейшей линейкой. Если взять очень короткие вспышки — короче, чем взмах крыла мухи, — и пустить их одна за другой, получится оптическая гребёнка: набор цветов, отстоящих друг от друга на строго одинаковые промежутки, как зубья расчёски. Такая радуга позволяет измерять расстояния, время и состав веществ с немыслимой точностью.

Обычная ловушка для атомов работает как воронка: лазерный свет и магнитное поле заставляют атомы замедляться и собираться в центре. Но у воронки есть предел — она ловит только атомы с определённой скоростью. В новом эксперименте свет сделали «шире»: добавили несколько близких частот, и воронка стала захватывать более быстрые атомы.

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.

Охранник должен проверить пять комнат, но заходить внутрь ему нельзя. Он стучит в дверь и прислушивается: тишина означает, что внутри кто-то есть, а эхо — что комната пуста. Похоже работает измерение без взаимодействия: квантовая частица, например фотон, проходит мимо объекта и своим поведением выдаёт, был ли на пути поглотитель, хотя сам фотон в него не попал.

Повар на кухне знает: прилипнет ли тесто к сковороде, зависит от того, что происходит на границе двух сред. Для расплавленных металлов эта граница долго оставалась невидимой — температура выше 200 °C не давала рассмотреть отдельные атомы.

Обычная антенна ловит радиоволны, но есть поля, которые она почти не чувствует. Речь о медленных электрических полях — таких, что меняются раз в секунду или реже. Для них физики собрали датчик из пучка атомов рубидия. Пучок летит в вакууме, и атомы в нём ведут себя как крошечные стрелки компаса, только реагируют не на магнит, а на электрическое поле. Атомы в пучке сначала облучают лазером.

Газ почти невидим, но у него есть температура, и её можно прочитать по тому, как газ «заслоняет» тепловой фон. В опыте камера смотрит на тёплый экран через струю углекислого газа. Если газ холоднее фона, он выглядит тёмным пятном; если теплее — светлым. Но есть особая температура фона, при которой пятно полностью исчезает: газ и фон становятся неразличимы.

Обычный лазерный дальномер работает как секундомер на стометровке: он засекает время, за которое свет сбегал до цели и обратно. Но у такого секундомера есть предел — он щёлкает с шагом в десятки пикосекунд (триллионных долей секунды). За этот шаг свет пролетает около сантиметра, поэтому мельче детали не разглядеть.

Два лазерных луча, как два карандаша, рисуют на стене невидимую шкалу. Один кончик движется чуть быстрее другого, и по тому, как их штрихи то совпадают, то расходятся, можно вычислить расстояние до стены с точностью до толщины паутинки. В новой работе физики заставили эти два луча работать непрерывно, без пауз.

Обычный белый свет — это смесь всех цветов сразу, как шум толпы, где каждый говорит на своей частоте. Учёным же нужен свет, в котором частоты выстроены строго по линейке — как клавиши пианино, где каждая нота звучит отдельно и точно. Такие «гребёнки частот» давно умеют делать в инфракрасном диапазоне, но в ультрафиолете это сложнее: там свет легко теряется и его трудно усилить.

Лазер, о котором идёт речь, — это не тонкий луч, а целая беговая дорожка для света. Внутри оптоволокна бегут два сверхкоротких импульса: один по часовой стрелке, другой против. Каждый импульс — одиночная вспышка длительностью в миллиардные доли секунды. Они не мешают друг другу, но встречаются в конце круга, как два бегуна, которые стартовали одновременно с разных концов стадиона.

Обычная расчёска разделяет волосы на ровные пряди. Лазерная «расчёска» делает то же самое со светом: она испускает не один цвет, а тысячи цветов, отстоящих друг от друга на строго одинаковые шаги частоты. Такой инструмент уже помог измерить время с точностью до миллиардных долей секунды и заглянуть внутрь атомов.

Обычный лазер светит одним цветом, как нота на пианино. Но для поиска молекул в воздухе нужен инструмент, который быстро пробегает по многим цветам — как музыкант, играющий гамму. Такой лазер называют перестраиваемым, и чем быстрее он меняет цвет, тем быстрее можно «пронюхать» воздух.

Свет можно расчесать, как волосы. Вместо волос — частоты, вместо расчёски — лазер. Получается гребёнка из тысяч ровных «зубчиков»-частот. Такая световая гребёнка помогает изучать молекулы и измерять время с точностью до квадриллионных долей секунды. Обычная расчёска имеет зубцы через равные промежутки.

Волны в магнитах похожи на колебания струны: если тронуть струну, она зазвучит на одной ноте, но при сильном воздействии появляются обертоны — звуки на кратных частотах. В магнонике роль струны играют спиновые волны, а роль обертонов — магнонные частотные гребёнки: серия линий, отстоящих друг от друга на одинаковый шаг, как зубья расчёски.

Свет в микроскопе приходит не ровным потоком, а как дробь из мешка: то больше фотонов, то меньше. Этот случайный разброс и есть дробовой шум. Он ставит предел: слабые сигналы от крошечных объектов тонут в этой ряби. Учёные нашли способ успокоить эту дробь. Они берут два луча света, которые родились вместе и связаны так, что их колебания гасят друг друга.

Луч лазера проходит сквозь стеклянную кювету с парами рубидия — и по тому, как атомы поглощают свет, можно узнать их температуру. Это похоже на измерение скорости машин по размытию фотоснимка: чем быстрее движутся атомы, тем шире размывается линия поглощения.