Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева, стр. 72

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.

17. Изумительные сферы: наука о пузырьках

Для того чтобы совершить очередной прорыв в науке об элементах, совсем не обязательно исследовать такие экзотические и сложные состояния вещества, как конденсат Бозе– Эйнштейна. Привычные твердые тела, жидкости и газы все еще могут поведать нам кое-какие секреты, если нам будут благоволить госпожа Удача и научные музы. Среди ученых ходит легенда о том, что идея об одном из самых важных лабораторных приборов пришла в голову его создателю не просто за стаканом пива, но и благодаря стакану пива.

В те годы Дональд Глазер был скромным, но жаждущим признания младшим научным сотрудником Мичиганского университета. Когда ему было двадцать пять лет, он любил наведываться в ближайшие бары, чтобы утолить жажду. Как-то вечером он рассматривал пузырьки, поднимавшиеся в стакане со светлым пивом, и сам не заметил, как стал размышлять о физике частиц. На тот момент (это было в 1952 году) ученые пользовались знаниями, полученными в ходе выполнения Манхэттенского проекта и других исследований в области ядерной физики, чтобы вообразить экзотические и неустойчивые разновидности частиц – к-мезоны, мюоны и пионы, призрачные сущности из того же мира, который наполнен хорошо знакомыми нам протонами, нейтронами и электронами. Специалисты по физике частиц подозревали, даже надеялись, что эти частицы помогут опровергнуть периодическую систему, казавшуюся основополагающей картой материального мира, так как позволят заглянуть еще глубже в субатомные недра.

Но, чтобы продвинуться в этих исследованиях, ученым требовались методы, которые позволили бы «увидеть» эти мельчайшие частицы и проверить, какие свойства они проявляют. Глазер, склонившийся над своим стаканом, – высоколобый юноша в очках, с короткими вьющимися волосами – решил, что ответ таится в пузырьках. Пузырьки в жидкостях образуются там, где есть неровности или инородные включения. Так, пузырьки в шампанском образуются на месте микроскопических царапин на стекле, а пузырьки в пиве – это мельчайшие включения углекислого газа. Глазер как настоящий физик точно знал, что пузырьки образуются тем активнее, чем горячее жидкость и чем ближе она к точке кипения (вспомните кастрюлю с водой, стоящую на плите). На самом деле, если поддерживать температуру жидкости, она переполнится пузырьками, как будто ее сильно взбалтывают.

Это было хорошее начало, не выходившее, впрочем, за пределы простейшей физики. Глазер стал выдающимся физиком благодаря нескольким логическим умозаключениям, которые сделал дальше. Эти экзотические к-мезоны, мюоны и пионы появляются лишь в тех случаях, когда удается отщепить кусочек от ядра атома – его плотной сердцевины. В 1952 году уже существовало устройство, называемое «камера Вильсона», в которой специальная «пушка» торпедировала холодные газовые атомы сверхбыстрыми субатомными частицами. После прямых попаданий в такой камере иногда появлялись мюоны и к-мезоны, и газ конденсировался в жидкие капельки именно там, где пролегала траектория частицы. Но Глазер решил, что целесообразнее было бы заменить газ жидкостью. Плотность жидкостей в тысячи раз превышает плотность газов, поэтому если бы мы нацелили атомную пушку, скажем, на жидкий водород, то столкновений с атомами происходило бы гораздо больше. Кроме того, если бы жидкий водород находился лишь чуть-чуть ниже точки кипения, то

даже самый слабый толчок призрачной частицы вспенил бы водород в камере, как пиво в стакане. Кроме того, Глазер полагал, что сможет сфотографировать траектории пузырьков, а затем измерить, как различные частицы прокладывают разные дорожки и спирали, в зависимости от их размера и заряда. Легенда гласит, что к тому моменту, как Глазер допил стакан пива, у него в голове сложилась полная картина будущего опыта.