Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Вскоре ученые осознали, что в эту лазейку вписываются не только фотоны. Поскольку для света характерен корпускулярноволновой дуализм, чем глубже вы проникаете в структуру протонов, электронов и других условно твердых частиц и анализируете их, тем более «рыхлыми» они становятся. Вещество на своем глубочайшем, самом загадочном квантовом уровне является неопределенным и волноподобным. А поскольку на такой глубине принцип неопределенности уже является математическим законом, определяющим, как должны пролегать границы между волнами, образующие их частицы также подчиняются принципу неопределенности.

∆х ∆р ≥ h/4π

Опять же, это уравнение справедливо только в микроскопических масштабах, где значение постоянной Планка (которая, как мы помним, в триллионы триллионов раз меньше единицы) не является пренебрежимо малым. Физики не любят, когда кто-то пытается экстраполировать такие принципы на человеческий макромир и утверждает, что, «согласно принципу неопределенности», мы действительно не можем наблюдать какой-либо предмет, не изменяя его при этом. Эвристически развив эту мысль, некоторые даже решаются утверждать, что объективной реальности не существует и что ученые лишь занимаются самообманом, считая, что «все знают». На самом деле, есть всего один пример того, как принцип неопределенности Гейзенберга, действующий на наноуровне, отражается в нашем макромире. Речь идет о том самом экзотическом состоянии вещества, о котором я обещал рассказать выше. Оно называется конденсатом Бозе – Эйнштейна (БЭК).

История открытия этого состояния вещества восходит к 1920-м, когда Шатьендранат Бозе, упитанный индийский физик в очках, допустил ошибку, разбирая на лекции уравнения квантовой механики. Это был грубый просчет, простительный разве что студенту, но именно он и пробудил в Бозе интерес к проблеме. Не догадываясь поначалу об ошибке, он довел вычисления до конца, с удивлением убедившись, что его «неправильные» ответы поразительно хорошо согласуются с наблюдаемыми свойствами фотонов – даже лучше, чем «верная» теория[154].

Бозе решил поступить именно так, как в течение многих веков до него поступали другие физики: предположил, что его ошибочный результат на самом деле является верным, но почему так происходит – непонятно. И написал об этом научную статью. Из-за кажущейся ошибки, а также из-за того, что многие редакторы считали его «неграмотным индусом», все ведущие европейские научные журналы отвергли эту статью. Бозе, не растерявшись, послал статью самому Альберту Эйнштейну. Эйнштейн внимательно ее изучил и пришел к выводу, что предложенное Бозе решение является очень проницательным. Гипотеза Бозе сводилась к тому, что фотоны могут плотно слипаться друг с другом до тех пор, пока отдельные частицы в этом «комке» не станут неразличимы. Эйнштейн подправил статью, перевел ее на немецкий, а потом расширил работу Бозе до новой статьи, в которой рассмотрел, как такой принцип «слипания» работает уже не с фотонами, а с целыми атомами. Воспользовавшись своим научным авторитетом, Эйнштейн добился, чтобы обе статьи были опубликованы рядом.

В этой объединенной работе Эйнштейн добавил пассаж, что если охладить атомы до крайне низких температур – намного ниже, чем до состояния сверхпроводимости, то они конденсируются с переходом в новое агрегатное состояние. Тем не менее задача охлаждения атомов до столь низких температур превосходила технические возможности начала XX века, так что даже дальновидный Эйнштейн не стал всерьез рассматривать такую возможность. Он считал описанный им конденсат лишь любопытной теоретической возможностью. Поэтому особенно поразительно, что ученым удалось наблюдать вещество в состоянии БЭК всего лишь через десять лет, когда было открыто явление сверхтекучести гелия. В таком жидком гелии небольшие группы атомов слипались вместе. Электронные пары Купера в сверхпроводниках также отчасти напоминают БЭК. Но такое связывание в сверхпроводниках и сверхтекучих жидкостях проявлялось в ограниченном объеме. Более того, Эйнштейн представлял себе это состояние вещества совсем иначе – как очень холодный разреженный туман. Тем не менее ни создатели жидкого гелия, ни ученые из группы BCS даже не пытались подстроиться под гипотезу Эйнштейна. Об агрегатном состоянии БЭК не удалось узнать ничего нового вплоть до 1995 года, когда двое умных ученых из Университета штата Колорадо получили вещество, которое можно было назвать «газом из рубидиевых атомов» (газообразным рубидием).

Примечательно, что важнейшим техническим средством, которое помогло достичь состояния БЭК, был лазер. Принцип работы лазера основан на тех идеях о природе фотонов, которые впервые высказал Бозе. Это может показаться нелогичным, ведь обычно лазер разогревает тела. Но лазер вполне может и охлаждать атомы, если уметь правильно с ним обращаться. На базовом наноскопическом уровне температура определяется только средней скоростью движения частиц. Горячие молекулы постоянно сталкиваются друг с другом, а холодные еле движутся. Поэтому, чтобы охладить какое-либо тело, нужно максимально замедлить его частицы. При лазерном охлаждении ученые пересекают несколько лучей. Подобно охотникам за привидениями, они создают ловушку из «оптической патоки». Когда разреженные атомы рубидиевого газа проходили через оптическую патоку, лазеры бомбардировали их протонами малой интенсивности. Атомы рубидия гораздо массивнее и тяжелее протонов, так что такая бомбардировка напоминает расстрел астероида из пулемета. Тем не менее, несмотря на разницу в размерах, достаточно сильный шквальный огонь может остановить даже астероид, и именно это произошло с рубидием. Поглощая протоны, летевшие в них со всех сторон, атомы рубидия все замедлялись и замедлялись, пока их температура не упала примерно до одной десятитысячной доли градуса выше абсолютного нуля.

Тем не менее даже такая температура является настоящим пеклом для конденсата Эйнштейна – Бозе (теперь вы догадываетесь, почему Эйнштейн был столь пессимистичен?). Поэтому ученые из Колорадо, Эрик Корнелл и Карл Виман, применили вторую фазу охлаждения, на которой сильный магнит многократно отсасывал из рубидиевого газа самые «горячие» из оставшихся атомов. Примерно то же самое происходит, когда мы дуем на ложку с горячим бульоном, чтобы ее остудить (выдуть самые горячие атомы). Когда высокоэнергетические атомы покинули газ, его температура упала еще ниже. Медленно остужая газ и удаляя на каждой стадии лишь несколько самых теплых атомов, ученые опустили температуру до одной миллиардной доли градуса (0,000000001 К) выше абсолютного нуля. На данном этапе образец из двух тысяч атомов рубидия наконец превратился в конденсат Эйнштейна – Бозе – самую холодную, липкую и неустойчивую субстанцию во Вселенной.

Но формулировка «две тысячи атомов рубидия» относительно вещества в состоянии БЭК не совсем правильна. Ученые не получили кусок рубидия из двух тысяч атомов, слипшихся, как пастила. Это было особое состояние вещества, для описания которого придется вновь обратиться к принципу неопределенности. Как я уже упоминал, температура – это просто показатель скорости атомов. Если температура молекул падает до миллиардной доли градуса, то их скорость становится практически нулевой, и, следовательно, неопределенность этой скорости абсурдно мала. Она тоже практически нулевая. А поскольку на таком уровне атомы проявляют волновые свойства, неопределенность их положения должна быть довольно велика.

Она оказалась настолько большой, что, пока неутомимые ученые охлаждали атомы рубидия и слепляли их вместе, атомы начали пухнуть, расширяться, наползать друг на друга и, наконец, исчезать друг в друге. Так получился всего один призрачный атом, который, не будь он таким неустойчивым, был бы вполне различим под микроскопом. Именно поэтому можно утверждать, что в этом и только в этом случае принцип неопределенности практически начинает действовать на макроуровне и затрагивает частицу, которую можно сравнить по размеру с человеком. Оборудование, которое потребовалось для доведения материи до состояния конденсата Эйнштейна – Бозе, стоило около 100 тысяч долларов, а само это новое состояние вещества просуществовало около десяти секунд, после чего конденсат фактически сгорел. Но этих десяти секунд хватило, чтобы в 2001 году Корнелл и Виман были удостоены Нобелевской премии[155].

По мере совершенствования технологий ученым все проще доводить вещество до состояния БЭК. Конечно, это по силам еще далеко не всем, но не исключено, что вскоре человечество научится создавать «вещественные лазеры», выстреливающие сверхсфокусированные пучки атомов. Такие лазеры должны быть в тысячи раз мощнее световых, а также потенциально способны синтезировать сверхтвердые ледяные кубики, которые смогут проникать друг через друга, не теряя при этом формы. В нашем научно-фантастическом будущем такие вещи могут показаться не менее удивительными, чем были световые лазеры и сверхтекучие жидкости в нашем замечательном настоящем.