Согласно их новой работе, недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи из четырех университетов Германии создали самую низкую температуру, когда-либо зарегистрированную в лаборатории — на 38 триллионных градуса выше абсолютного нуля. В Центре прикладных космических технологий и микрогравитации Бременского университета температура держалась всего несколько секунд, но это достижение может иметь далеко идущие последствия для нашего понимания квантовой механики.
Чем ближе мы приближаемся к абсолютному нулю — самой низкой возможной температуре, которую мы могли бы теоретически достичь, согласно законам термодинамики, — тем более своеобразным образом действуют частицы, а следовательно, и вещества. Жидкий гелий, например, становится "сверхтекучим" при значительно низких температурах, что означает, что он течет без какого-либо сопротивления от трения. Азот замерзает при -210 градусах Цельсия. При достаточно низких температурах некоторые частицы даже приобретают волнообразные характеристики.
Абсолютный ноль равен -273,15 градуса Цельсия или -459,67 градуса по Фаренгейту, но чаще всего он измеряется как 0 Кельвинов. Это точка, в которой элементарные частицы имеют минимальное колебательное движение. Однако для ученых невозможно создать в лаборатории условия абсолютного нуля.
В своей работе исследователи изучали волновые свойства атомов, когда они придумали процесс, который может снизить температуру системы за счет замедления частиц практически до полной остановки. В течение нескольких секунд частицы оставались полностью неподвижными, а температура упала до удивительных 38 пикокельвинов, или 38 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Эта температура настолько низкая, что ее невозможно обнаружить даже с помощью высокоточного термометра. Вместо этого температура характеризовалась отсутствием кинетического движения частиц.
Согласно исследованию группы, задействованный здесь механизм — это система линз материи-волны во временной области. Волна материи — это, буквально то, о чем вы могли подумать: материя, которая ведет себя как волна. Это часть квантовой физики, где все, что мы раньше думали, что мы знаем, становится немного шатким при внимательном рассмотрении. В этом случае ученые использовали магнитную линзу, чтобы сформировать квантовый газ, и использовали ее, чтобы фокусировать материальную волну и вести себя определенным образом. Обычный газ состоит из рыхлого набора дискретных частиц, но квантовый газ не является таким предсказуемым материалом. В этом случае квантовый газ представляет собой загадочное состояние вещества, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Объектив "настраивается" с помощью осторожного возбуждения. Подумайте о линзах на очках, изгиб которых предназначен для фокусировки ближе или дальше в зависимости от глаз пациента. Для этого эксперимента ученые настроили фокус буквально на бесконечность. В рамках подмножества квантовой физики, известного как оптика, это означает, что квантовый газ ограничивает проходящие частицы до тех пор, пока они не проходят по одной и с удивительно медленной скоростью.
Исследователи из Бременского университета, Университета Лейбница в Ганновере, Университета Гумбольдта в Берлине и Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце говорят, что они видят, что будущие исследователи заставят частицы летать еще медленнее, с максимальным потенциальным периодом "невесомости" до 17 секунд.
