BOSE-EINSTEIN KONDENZACIJA(Boze kondenzacija) - kvantni fenomen, koji se sastoji u činjenici da se u sistemu velikog broja čestica pokorava Bose - Einstein statistika(Boze plin ili Bose tekućina), na temp-pax ispod temperaturna degeneracija u stanju sa nultim impulsom postoji konačan udio svih čestica sistema. Izraz "B-E. to." zasniva se na analogiji ove pojave sa kondenzacijom gasa u tečnost, iako su ove pojave potpuno različite, budući da se tokom B. - E. do. dešava u prostoru impulsa, a raspodela čestica u koordinatama prostor se ne menja. Teorija B.-E. to. koju je konstruirao A. Einstein (A. Einstein) 1925. godine, a razvio F. London (F. London) 1938. godine.

Budući da se BEC javlja čak iu idealnom Bose plinu, to je uzrokovano svojstvima valne funkcije čestica, a ne interakcijama između njih. Za idealan Bose plin iz Bose - Einstein distribucija

(gde T- trbušnjaci. temp-pa, e R- energija čestice sa impulsom - hemij. potencijal) proizlazi da u najnižem energetskom. stanje sa je česticama. Iz pozitivnosti slijedi da je faktor degeneracije je blizu 1, tada može biti puno čestica u stanju c. Stoga se doprinos čestica c ne može zanemariti u proračunu cp. količine. Iz uslova konstantnosti ukupnog broja čestica u zapremini V slijedi ur-cija za:

je de Broljeva talasna dužina koja odgovara toplotnom kretanju, t je masa čestice. Odavde T0- brzina Bose kondenzacije, odnosno stopa degeneracije, nalazi se iz uslova , koji je zapisan u tragu. oblik: .

At T=0 sve čestice su u kondenzatu, dok je samo u kondenzatu N 0 čestica, a ostale se pokoravaju sa . Kada se pokaže da je pritisak funkcija samo temperature i ne zavisi od zapremine, pošto čestice kondenzata, koje nemaju impuls, ne doprinose pritisku. Na , derivacija toplotnog kapaciteta doživljava konačan skok, dok sam toplotni kapacitet, energija i pritisak ostaju kontinuirani, pa sistem prolazi kroz neku vrstu faznog prelaza.

u , gdje a je dužina raspršenja za potencijal interakcije. Ako gustoća nije mala, tada se broj čestica u kondenzatu može procijeniti varijacionom metodom. Za Bose tečnost sa interakcijom molekula kao tvrde sfere prečnika b

Za cm, cm 3 je dakle 0,08. Prema procjenama na osnovu raspršenja neutrona, gustina kondenzata u nekoliko % i ima približno istu temperaturnu ovisnost kao i gustina superfluidne komponente. Međutim, gustina čestica kondenzata i gustina superfluidne komponente se ne mogu identifikovati, jer na T=0 Sva tečnost je suvišna, iako nisu sve njene čestice u kondenzatu.

Bose-Einstein kondenzat - peto stanje materije

Bose-Einstein kondenzat - specifičan stanje agregacije agregatno stanje materije, koje je uglavnom predstavljeno bozonima u uslovima ultra niskih temperatura.

To je kondenzovano stanje Bose gasa - gasa koji se sastoji od bozona i podložan je kvantnim mehaničkim efektima.

Bose-Einstein statistika

Indijski fizičar Satyendra Nath Bose je 1924. godine predložio kvantnu statistiku za opisivanje bozona, čestica sa cjelobrojnim spinom, koje su također dobile ime po njemu. Godine 1925. Albert Ajnštajn je generalizovao Boseov rad primenom njegove statistike na sisteme koji se sastoje od atoma sa celobrojnim spinom. Takvi atomi, na primjer, uključuju atome helija-4. Za razliku od fermiona, bozoni se ne pridržavaju Paulijevog principa isključenja, odnosno više bozona može biti u istom kvantno stanje.

Bose-Einstein statistika može opisati distribuciju čestica sa cijelim ili nultim spinom. Osim toga, ove čestice ne smiju biti u interakciji i moraju biti identične, odnosno nerazlučive.

Bose-Einstein kondenzat

Bose-Einstein kondenzat je plin sastavljen od čestica ili atoma s cjelobrojnim spinom. Kao što znate, čestice su u stanju da preuzmu nekoliko kvantnih stanja odjednom - takozvane kvantne efekte. Prema Einsteinovom radu, kako se temperatura smanjuje, broj kvantnih stanja dostupnih čestici će se smanjivati. Razlog za to je što će kako temperatura pada, čestice će sve više preferirati najniža energetska stanja. S obzirom da bozoni mogu istovremeno biti u istom stanju, kako temperatura pada, oni će prijeći u isto stanje.

Dakle, Bose-Einstein kondenzat će se sastojati od mnogih čestica koje nisu u interakciji koje su u istom stanju. Važno je napomenuti da će, kako temperatura pada, talasna priroda čestica postajati sve izraženija. Na izlazu ćemo imati jedan kvantno-mehanički talas na makro skali.

Podaci o raspodjeli brzina (3 vrste) za gas atoma rubidijuma, koji potvrđuju otkriće nove faze materije, Bose-Einstein kondenzata. Lijevo: prije pojave Bose-Einstein kondenzata. Centar: odmah nakon pojave kondenzacije. Desno: nakon daljeg isparavanja, ostavlja se uzorak gotovo čistog kondenzata.

Kako dobiti Bose-Einstein kondenzat?

Po prvi put ovo stanje agregacije postignuto je 1995. godine. američki fizičari sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju Eric Cornell i Carl Wieman. U eksperimentu je korištena tehnologija laserskog hlađenja, zahvaljujući kojoj je bilo moguće sniziti temperaturu uzorka na 20 nanokelvina. Rubidijum-87 je korišćen kao materijal za gas, od kojih je 2 hiljade atoma prešlo u stanje Bose-Einstein kondenzata. Četiri mjeseca kasnije, njemački fizičar Wolfgang Ketterle također je stigao do kondenzata u mnogo većim količinama. Tako su naučnici eksperimentalno potvrdili mogućnost postizanja "petog agregacijskog stanja" u uslovima ultraniskih temperatura, za šta su 2001. godine dobili Nobelovu nagradu.

Godine 2010. njemački naučnici sa Univerziteta u Bonu, predvođeni Martinom Weitzom, dobili su Bose-Einstein kondenzat iz fotona na sobnoj temperaturi. Za to je korištena komora s dva zakrivljena zrcala, prostor između kojih se postepeno popunjavao fotonima. U nekom trenutku, fotoni "lansirani" unutra više nisu mogli postići ravnotežno energetsko stanje, za razliku od fotona koji su prije bili tamo. Ovi "dodatni" fotoni su počeli da se kondenzuju, prelazeći u isto stanje najniže energije i tako formirajući peto stanje agregacije. To jest, naučnici su uspjeli dobiti kondenzat od fotona na sobnoj temperaturi, bez hlađenja.

Već do 2012. godine bilo je moguće dobiti kondenzat iz mnogih drugih izotopa, uključujući izotope natrijuma, litijuma, kalijuma itd. A 2014. godine uspješno je testirana jedinica za stvaranje kondenzata, koja će 2017. godine biti poslata u Međunarodni svemir stanica za provođenje eksperimenata u bestežinskom stanju.

Primjena kondenzata

Iako je ovaj fenomen teško zamisliti, kao i svaki kvantni efekt, takva supstanca se može koristiti u širokom spektru problema. Jedan primjer primjene Bose-Einstein kondenzata je atomski laser. Kao što je poznato, zračenje koje emituje laser je koherentno. To jest, fotoni takvog zračenja imaju istu energiju, fazu i valnu dužinu. Ako su fotoni u istom kvantnomehaničkom stanju, kao u slučaju Bose-Einstein kondenzata, onda je moguće sinhronizirati ovu ohlađenu supstancu kako bi se dobilo zračenje za efikasniji laser. Takav atomski laser stvoren je davne 1997. godine pod vodstvom Wolfganga Ketterlea, jednog od prvih naučnika koji je stvorio kondenzat.

Metoda dobijanja kondenzata iz fotona, koju su njemački naučnici koristili 2010. godine, može se koristiti u solarnoj energiji. Prema nekim fizičarima, to će poboljšati efikasnost solarnih ćelija po oblačnom vremenu.

Bose-Einstein kondenzat - grafička vizualizacija

Budući da je Bose - Einstein kondenzat dobijen relativno nedavno, njegov obim još nije precizno definiran. Međutim, prema različitim naučnicima, kondenzat bi mogao biti koristan u mnogim oblastima, od medicinske opreme do kvantnih kompjutera.

Biografi uglavnom ignorišu poslednjih 30 godina Ajnštajnovog života, posmatrajući ih kao nešto nezgodno, nedostojno genija, mrlju na njegovoj inače kristalno čistoj istoriji. Međutim, naučni napredak u posljednjim decenijama omogućio nam je potpuno novi pogled na Ajnštajnovo naslijeđe. Činjenica je da je njegov rad bio toliko fundamentalan, da je sam temelj ljudskog znanja toliko preokrenuo, da se Ajnštajnov uticaj i dalje oseća u fizici. Mnoga Ajnštajnova semena klijaju tek sada, u 21. veku, prvenstveno zato što su naši instrumenti - svemirski teleskopi, svemirske rendgenske opservatorije, laseri - postali dovoljno moćni i osetljivi da testiraju njegova različita predviđanja napravljena pre decenija.

Može se tvrditi da Ajnštajnove mrvice stola pomažu naučnicima da danas osvoje Nobelovu nagradu. Štaviše, sa pojavom teorije superstruna, Ajnštajnov koncept generalizacije svih sila, nekada predmet ismevanja i omalovažavajućih komentara, sada dolazi u centar sveta teorijske fizike. Ovo poglavlje govori o novim razvojima u tri oblasti u kojima živi Ajnštajnovo nasleđe i vlada svetom fizike: kvantna teorija, opšta teorija relativnosti i kosmologija i jedinstvena teorija polja.

Godine 1924., kada je Ajnštajn prvi put napisao svoj rad o Bose-Ajnštajnovom kondenzatu, nije mislio da će ovaj neobičan fenomen biti otkriven u nekoj doglednoj budućnosti. Zaista, da bi se sva kvantna stanja kolabirala u džinovski superatom, bilo je potrebno ohladiti materijale gotovo na apsolutnu nulu.

1995. godine, međutim, Eric Cornell iz Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju i Carl Wieman sa Univerziteta u Koloradu učinili su upravo to, proizvodeći čisti Bose-Einstein kondenzat od 2.000 atoma rubidijuma na temperaturi dvadeset milijarditi dio stepena iznad apsolutne nule. Osim toga, Wolfgang Ketterle sa Massachusetts Institute of Technology je nezavisno dobio Bose-Einstein kondenzat koji je imao dovoljno atoma natrijuma za izvođenje važnih eksperimenata na njemu. On je dokazao da ovi atomi pokazuju interferencijski obrazac koji odgovara stanju kada su atomi međusobno usklađeni. Drugim riječima, ponašali su se kao superatom koji je Ajnštajn predvidio prije više od 70 godina.

Praktična primjena kondenzata Bose - Ajnštajn tek dolazi, dok proces svjesnosti

Nakon prvobitne objave o otkriću, ovo područje u procvatu je zasuto u izobilju. Godine 1997, na MIT-u, Ketterle i kolege su stvorili prvi "atomski laser" na svijetu koristeći Bose-Einstein kondenzat. Kao što znate, zadivljujuća svojstva laserske svjetlosti su posljedica činjenice da se fotoni kreću u skladu jedni s drugima, dok je obična svjetlost haotična i nekoherentna. Pošto i materija ima valna svojstva, smatrali su fizičari, tok atoma bi mogao biti koherentan; međutim, napredak u ovom pravcu je zastao zbog nedostatka Bose-Einstein kondenzata. Sada su fizičari postigli svoj cilj tako što su prvo ohladili skup atoma i pretvorili ih u kondenzat, a zatim usmjerili laserski snop na ovaj kondenzat, koji je izgradio sinkronizirani snop atoma.

2001. Cornell, Wiman i Ketterle dobili su Nobelovu nagradu za fiziku. Nobelov komitet ih je nagradio „za eksperimentalno posmatranje Bose-Einstein kondenzacija u rijetkim plinovima atoma alkalni metali i za prve temeljne studije svojstava takvih kondenzata.” Praktična primjena Bose-Einstein kondenzata tek predstoji, za sada je u toku samo proces osvještavanja. Atomske laserske zrake mogle bi se pokazati kao vrijedan alat u budućnosti za nanotehnologije. Možda će omogućiti manipulaciju pojedinačnih atoma i stvoriti slojeve atomskih filmova za poluvodiče u budućim kompjuterima.

Pored atomskih lasera, neki naučnici govore o izgradnji kvantnih kompjutera. (računari koji računaju korištenjem pojedinačnih atoma) baziran na Bose-Einstein kondenzatu, koji bi na kraju mogao zamijeniti konvencionalne silikonske kompjutere. Drugi kažu da skrivena masa, ili tamna materija, može biti sastavljena od dijela Bose-Einstein kondenzata. Ako je to tako, onda se u ovom čudnom stanju može naći većina materije u svemiru.

Osim toga, Ajnštajnov rad naterao je kvantne fizičare da preispitaju svoju odanost originalnoj kopenhagenskoj interpretaciji ove teorije. Još 1930-ih i 1940-ih, kada su se kvantni fizičari radosno kikotali iza Ajnštajnovih leđa, nije bilo nimalo teško zanemariti ovog diva moderne fizike, jer značajna otkrića u kvantna fizika rade skoro svakodnevno. Koji je bio spreman potrošiti vrijeme na provjeru osnovnih odredbi kvantna teorija kada su fizičari žurili da skupe Nobelove nagrade kao jabuke sa grane? Provedene su stotine proračuna o svojstvima metala, poluprovodnika, tečnosti, kristala i drugih materijala, čiji rezultati lako mogu dovesti do stvaranja čitavih industrija. Za ostalo jednostavno nije bilo vremena. Kao rezultat toga, fizičari su se decenijama jednostavno navikavali na tumačenja Kopenhaške škole, "gurajući pod tepih" duboka filozofska pitanja koja nisu imala odgovor. Borovi sporovi sa Ajnštajnom su zaboravljeni. Međutim, danas, kada su mnoga "jednostavna" pitanja o materiji jasno odgovorena, mnogo složenija pitanja koja je postavio Ajnštajn i dalje ostaju bez odgovora. Konkretno, postoje desetine međunarodnih konferencija širom svijeta na kojima fizičari ponovo razmatraju problem Schrödingerove mačke koji se spominje u Poglavlju 7. Sada kada su eksperimentatori naučili kako da manipulišu pojedinačnim atomima, problem mačaka više nije čisto akademski. Štaviše, konačna sudbina kompjuterske tehnologije, koja određuje značajan udeo u svetskom bogatstvu, može zavisiti od njene odluke, budući da će kompjuteri budućnosti verovatno raditi na tranzistorima izgrađenim od pojedinačnih atoma.

Živimo s druge strane zida gde svi talasi funkcionišu već srušena

Danas se priznaje da od svih alternativa Borova škola u Kopenhagenu nudi najmanje atraktivan odgovor na problem mačke, iako do sada nisu pronađena eksperimentalna odstupanja od Bohrove originalne interpretacije. Kopenhaška škola postulira postojanje "zida" koji odvaja svakodnevni makroskopski svijet drveća, planina i ljudi koje vidimo oko sebe od misterioznog kontraintuitivnog mikroskopskog svijeta kvanta i valova. U mikroskopskom svetu elementarne čestice postoje u srednjem stanju između postojanja i nepostojanja. Međutim, mi živimo s druge strane zida, gdje su se sve valne funkcije već srušile, pa nam se naš makroskopski svemir čini stabilnim i dobro definiranim. Drugim rečima, zid odvaja posmatrača od posmatranog objekta.

Neki fizičari, uključujući Nobelovac Eugene Wigner, idi još dalje. Ključni element posmatranja, naglasio je Wigner, je svijest. Da bi se promatrala i utvrdila stvarnost mačke, potreban je svjestan posmatrač. Ali ko posmatra posmatrača? Posmatraču je takođe potreban posmatrač (koji se naziva "Wignerov prijatelj"),što bi utvrdilo da je posmatrač živ. Ali to implicira postojanje beskonačnog lanca posmatrača, od kojih svaki posmatra susjeda i utvrđuje da je prethodni posmatrač živ i zdrav. Za Wignera je to značilo da negdje postoji, možda, neka vrsta kosmičke svijesti koja određuje prirodu samog Univerzuma! Napisao je: „Sama studija vanjski svijet dovelo do zaključka da je sadržaj svijesti konačna stvarnost. Neki su u tom pogledu tvrdili da to dokazuje postojanje Boga, neke kosmičke svijesti, ili da je sam univerzum na neki način svjestan. Kao što je Planck jednom rekao: „Nauka nije u stanju da reši konačnu zagonetku prirode. To je zato što smo na kraju i sami dio misterije koju pokušavamo riješiti.”

Tokom decenija su se predlagala i druga tumačenja. Godine 1957. Hugh Everett, tada diplomirani student fizičara John Wheeler-a, predložio je možda najradikalnije rješenje za problem mačke, teoriju "mnogo svjetova", u kojoj svi mogući univerzumi postoje istovremeno. Mačka zaista može biti mrtva i živa u isto vrijeme, jer se sam svemir podijelio na dva dijela. Posljedice ove ideje su, iskreno, neugodne, jer implicira da univerzum neprestano račva svaki kvantni trenutak, formirajući beskonačan broj kvantnih univerzuma. Sam Viler, koji je isprva toplo podržao ideju svog učenika, kasnije ju je odustao, rekavši da postoji previše "metafizičkog prtljaga" povezanog sa takvim pristupom. Zamislite, na primjer, da kosmički zraci probiju utrobu majke Winstona Churchilla u pravom trenutku i izazovu pobačaj. Dakle, jedan kvantni događaj nas odvaja od univerzuma u kojem Čerčil, sposoban da probudi narod Engleske i cijeli svijet na borbu protiv ubilačkih snaga Adolfa Hitlera, jednostavno nije rođen. U tome paralelni univerzum nacisti su možda pobedili na Drugom svjetski rat i porobio veliki deo sveta. Ili zamislite svijet u kojem je solarni vjetar, potaknut kvantnim događajima, odnio onu kometu ili meteorit koji je prije 65 miliona godina pogodio meksičko poluostrvo Jukatan i zbrisao dinosauruse. U tom paralelnom univerzumu čovek se uopšte nije pojavio, a Menhetn, gde ja sada živim, naseljen je divljačkim dinosaurusima.

Bose-Einstein kondenzacija

Bez sumnje, jedan od najimpresivnijih rezultata moderne fizike bio je eksperimentalni dokaz Bose-Einstein kondenzacije dobiven 1995. godine. Ajnštajn je 1924. godine predvideo postojanje posebnog stanja materije, u kojem su svi atomi sa određenim svojstvima, tzv. bozoni (sa spinovima djeljivim sa h) mogu ostati sa potpuno istim kvantna svojstva. 1995. Godine 1995. Eric Cornell (r. 1962.) sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju i Carl Wiman (r. 1951.) sa Univerziteta u Koloradu uspjeli su da ohlade atome rubidijuma laserskim snopom i uhvate ih u magnetnu trap . Dalje hlađenje je zatim vršeno metodom zvanom evaporativno hlađenje, koja radi na isti način kao što se hladi šolja čaja, tj. omogućavajući toplijim atomima da pobjegnu.

Kada se postigne vrlo niska temperatura, atomi u novom stanju počinju da se kreću zajedno istom brzinom i u istom smjeru, umjesto da se kreću proizvoljno, kao što je slučaj sa običnim plinom. Atomi gube svoju individualnost i sada postaju jedinstvena kolektivna jedinica. Njihova organizirana konfiguracija rezultira neuobičajenim svojstvima. Bose-Einstein kondenzacija je dobijena u oblaku atoma rubidijum-87, koji su ohlađeni na ~170 nK. Najkompletniji uzorak sadržavao je oko 2000 atoma, koji su bili u jednom kvantnom stanju više od 15 sekundi. Wolfgang Ketterl (r. 1957) i njegova grupa na MIT-u (SAD) uspjeli su dobiti kondenzat natrijum-23 koji sadrži sto puta više atoma. Cornell, Ketterl i Wieman dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 2001. godine "za njihovo postizanje Bose-Einstein kondenzacije u rijetkim plinovima i za svoja pionirska, fundamentalna proučavanja svojstava ovog kondenzata." Uz pomoć Bose-Einstein kondenzata moguće je proučavati neke aspekte kvantna mehanika i možda bolje razumjeti fenomen supravodljivosti (svojstvo nekih materijala da potpuno gube električni otpor). Porijeklo svemira je također povezano u nekim teorijama sa Bose-Einstein kondenzacijom.

Ponašanje takvih kondenziranih atoma u odnosu na obične atome podsjeća na razliku između laserske svjetlosti i svjetla obične lampe. U laserskom svjetlu, svi fotoni su u fazi, što je svojstvo koje laserske zrake čini moćnim i sposobnim da se fokusiraju na vrlo malu tačku. Isto tako, atomi u Bose-Einstein kondenzatu su svi u fazi, a fizičari rade na tome da se ponašaju tako da budu "atomski laser". Takav snop atoma omogućava manipulacije i mjerenja na iznenađujuće malim razmjerima. U atomskom laseru svi atomi se mogu kretati kao jedan. Takvi atomski laseri mogli bi se koristiti za postavljanje atoma na podlogu sa izuzetnom preciznošću, zamjenjujući konvencionalnu fotolitografiju. Bilo bi moguće napraviti atomski interferometar, koji bi, budući da su talasne dužine atoma (de Broglie talasi) mnogo manje od svetlosnih, mogao da vrši merenja sa većom preciznošću od laserskog interferometra. To bi omogućilo stvaranje preciznijih atomskih satova, dobijanje i proučavanje nelinearnih interakcija sličnih optičkim itd.

Mogli bismo zamisliti mnoge druge primjene i buduće izglede za lasere, ali se nadamo da je ono što je rečeno dovoljno za razumijevanje prekrasnih mogućnosti laserskih uređaja u današnjem društvu.

U četvrtak, 24. novembra, u jednom od najprestižnijih naučnih časopisa - Priroda- pojavio se članak naučnika koji su po prvi put uspjeli dobiti Bose-Einstein kondenzat na bazi fotona. Najvjerovatnije, za većinu čitalaca prethodna rečenica nije rekla ništa - i nije iznenađujuće. Bose-Einstein kondenzat je vrlo specifičan, ali nevjerovatno zanimljiv oblik materije, koji se ponekad naziva i njegovo peto stanje, jednako čvrstom, tekućem, plinovitom i plazmi. Kada je supstanca u ovom stanju, u njoj se počinju pojavljivati ​​kvantni efekti na makro nivou - u stvari, Bose-Einstein kondenzat je velika (veoma velika) kvantna čestica.

Teorija

Bose-Einstein kondenzat (BEC) baziran na fotonima je vrlo "napredna" verzija BEC-a i dugo se vjerovalo da se u principu ne može dobiti. Ali prije nego što pričamo o tome, vrijedi objasniti što je Bose-Einstein kondenzat. Indija se može smatrati rodnim mjestom ovog koncepta - tamo je većina vremena živjela i radila osoba, po prvi put ukazujući na mogućnost postojanja prethodno nepoznatog stanja materije. Ovaj čovjek se zvao Shatyendranath Bose i bio je jedan od osnivača kvantne mehanike.

Da bi se proslavile naučne zasluge Bosea, po njemu je nazvana jedna od vrsta elementarnih čestica, bozoni. Bozoni uključuju, na primjer, fotone - nosioce elektromagnetizma i gluone, koji nose snažnu interakciju i određuju međusobnu privlačnost kvarkova. U ovu kategoriju elementarnih čestica spada i čuveni Higsov bozon za čije traženje je stvoren Veliki hadronski sudarač.

Pripadnost čestice bozonima određena je njenim spinom - unutrašnjim ugaonim momentom elementarnih čestica (ponekad se koncept spina definiše kao rotacija čestice oko sopstvene ose, ali takav prikaz previše pojednostavljuje situaciju). Spin bozona je uvek ceo broj - to jest, izražava se kao ceo broj. Druga vrsta elementarnih čestica - fermioni - ima polucijeli spin.

Fermioni (lijevo) se redaju prema energijama kvantnih nivoa, dok se bozoni (desno) mogu akumulirati na nivou sa najnižom energijom. Slika 23. broja Biltena PersT, 2003

Bozoni i fermioni se razlikuju jedni od drugih ne samo po vrijednosti spina - ove čestice su različite po nizu osnovnih svojstava. Konkretno, bozoni možda ne poštuju takozvani Paulijev princip, ili zabranu, koji postulira da dvije elementarne čestice ne mogu biti u istom kvantnom stanju. Kvantna stanja se međusobno razlikuju po energiji, a na niskim temperaturama fermioni (koji se striktno pridržavaju Paulijevog isključenja) zauzvrat popunjavaju uzastopna stanja. Stanja sa najnižom energijom (najviše "nenapregnuta" za čestice) su zauzeta prva, a stanja sa najvećom energijom su poslednja. Najjasnije je da je ovo svojstvo fermiona da se poređaju u liniju prema kvantnim stanjima uočljivo na niskim temperaturama, kada ponašanje sistema nije maskirano temperaturnim fluktuacijama.

Bozoni se na niskim temperaturama ponašaju drugačije - nisu ograničeni Paulijevim isključenjem i stoga teže da zauzmu najpogodnija mjesta, ako je moguće, tj. kvantne nivoe sa najmanje energije. Kao rezultat toga, kada se bozoni ohlade, događa se sljedeće: oni počinju da se kreću vrlo sporo - brzinom od nekoliko milimetara u sekundi, vrlo blisko "pritišću" jedan uz drugog, "skaču" u isto kvantno stanje, i na kraju počnu da se ponašaju na koordiniran način - onako kako bi se ponašala jedna džinovska kvantna čestica.

Radi se o takvoj transformaciji, koja bi se trebala dogoditi kod bozona na temperaturama blizu apsolutna nula, pisao je Shatyendranath Bose ranih 1920-ih Albertu Ajnštajnu. Bose je namjeravao poslati svoje proračune u časopis Zeitschrift fur Physik, ali je Ajnštajn bio toliko inspirisan idejama svog indijskog kolege da je svoj članak odmah preveo sa engleskog na nemački i poslao uredniku. Tvorac opšte i posebne teorije relativnosti razvio je Boseova razmatranja (hinduisti su razmatrali samo fotone, a Ajnštajn je dopunio Boseovu teoriju za čestice sa masom) i izneo svoje zaključke u još dva članka, koji su takođe objavljeni u Zeitschrift fur Physik.

Vježbajte

Dakle, teorija BBE je uglavnom razvijena u prvoj trećini 20. veka, ali su naučnici uspeli da dođu do materije u takvom stanju tek posle 70 godina. Razlog kašnjenja je jednostavan – da bi bozoni počeli da se ponašaju kao jedan kvantni sistem, potrebno ih je ohladiti na temperaturu koja se od apsolutne nule (minus 273,15 stepeni Celzijusa) razlikuje za nekoliko milionitih delova stepena. Dugo vremena fizičari jednostavno nisu mogli postići tako niske temperature. Druga poteškoća je bila u tome što se mnoge supstance, kada se približe apsolutnoj nuli, počnu ponašati kao tečnosti, a da bi se dobile BEC, potrebno je da ostanu "gasovi" (reč "gas" je pod navodnicima, jer na ultraniskim temperaturama čestice supstance gube svoju pokretljivost – jedan od osnovnih znakova gasa).

Sredinom 1990-ih pokazalo se da alkalni metali natrijum i rubidijum zadržavaju svoja "ispravna" svojstva nakon hlađenja, što znači da teoretski mogu preći u BEC stanje (i izotop rubidijum-87 i jedini izotop natrijuma-23 imaju cjelobrojne atomske spinove i takozvani su kompozitni bozoni). Kako bi snizili temperaturu atoma rubidijuma na potrebne ultra niske temperature, istraživači Eric A. Cornell i Carl Wieman iz JILA - zajedničkog instituta američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) i Univerziteta Kolorado u Boulder - koristi se lasersko hlađenje zajedno sa hlađenjem isparavanjem.

Uz pomoć lasera atomi se hlade na sljedeći način: atom apsorbira fotone koji se kreću prema njemu, a zatim emituje zračenje. U tom slučaju dolazi do postepenog usporavanja atoma, a temperatura agregata atoma se smanjuje. Međutim, samo lasersko hlađenje nije dovoljno za postizanje temperatura na kojima je moguć prijelaz u BEC stanje. Suvišne djeliće stepena možete "ukloniti" ako iz smjese uklonite najbrže atome (šolja čaja koja je ostala na stolu se hladi po istom principu).

Prema principu kvantno-valnog dualizma, objekti mikrosvijeta mogu se ponašati i kao čestice i kao valovi. Da bi supstanca prešla u BEC stanje, njeni atomi se moraju približiti jedni drugima na udaljenosti koja je uporediva sa njihovom talasnom dužinom. Tada talasi počinju da deluju, a ponašanje pojedinačnih čestica postaje koordinisano.

Naučnici iz JILA-e su 1995. godine uspeli da ohlade oko 2 hiljade atoma rubidijuma-87 na temperaturu od 20 nanokelvina (jedan nanokelvin je 1x10 -9 kelvina), i kao rezultat su prešli u KBE stanje. Kondenzat je zadržan u eksperimentalnoj komori pomoću posebno dizajnirane magnetne zamke. Četiri mjeseca nakon što su Cornell i Wieman grupa objavili svoje rezultate, pojavio se članak fizičara Wolfganga Ketterlea sa Massachusetts Institute of Technology (MIT), koji je uspio dobiti BEC baziran na atomima natrijuma. Ketterle je koristio nešto drugačiji princip držanja atoma u magnetnoj zamci i uspio je da prenese mnogo više atoma u "peto stanje materije" nego njegove kolege iz JILA-e. Sva tri naučnika su 2001. godine dobila Nobelovu nagradu za fiziku.

Od 1995. godine mnoge grupe fizičara su se bavile dobijanjem i proučavanjem BEC-a, koji su proučavali vrtloge koji nastaju u njemu, interferenciju talasa između kondenzata i još mnogo toga. 2009. godine naučnici su prvi put u ovakvom stanju atoma kalcija - nastali talasni obrazac za ovaj element je primjetno jasniji nego za alkalne metale. Godine 2003. Ketterle grupa je uspjela da napravi analogni laser od BEC-a, pa čak i dobije BEC od fermiona. Konačno, 2010. godine to je bilo prvi put - dugo vremena mnogi su fizičari bili sigurni da je to suštinski nemoguće.

Stručnjaci su posebno vjerovali da će kvante svjetlosti apsorbirati zidovi eksperimentalne komore i "pobjeći" od eksperimentatora. Kako bi uhvatili, ohladili i zadržali dovoljno fotona za dobijanje i proučavanje BEC-a, naučnici sa Univerziteta u Bonu su koristili dva zakrivljena ogledala, razmak između kojih je bio oko 1,5 mikrometara - to je uporedivo sa talasnom dužinom fotona u kvantnom stanju sa minimalna energija.

Metoda laserskog hlađenja fotona nije primenljiva – oni suviše slabo međusobno deluju, pa su ih istraživači hladili posebnom bojom koja je apsorbovala i emitovala kvante svetlosti. Fotoni su se sudarili sa njegovim molekulima i postepeno je njihova temperatura bila usklađena sa temperaturom boje. Za razliku od atoma, da bi se dobili BEC bazirani na fotonima, ne treba ih hladiti na nula kelvina - prijelaz se događa već na sobnoj temperaturi. Sami istraživači su laserom "pumpali" fotone u prorez. Prelazak u BEC stanje se dogodio kada se broj fotona približio 60.000.

Čitaoci se mogu zapitati zašto se naučnici muče sa ovim neshvatljivim KBE. To jest, čisto fundamentalni interes fizičara da „osete“ i direktno vide manifestaciju zakona kvantne mehanike je razumljiv, ali da li „peto stanje“ ima neku korisnu praktičnu primenu? Kao iu slučaju drugih fizičkih otkrića, takvo pitanje je preuranjeno – malo je vjerovatno da bi naučnici koji su proučavali svojstva radioaktivnog raspada ili elektrona mogli predvidjeti kolike će biti posljedice njihovog rada.

Prvo, prije ili kasnije, inženjeri dolaze do novih uređaja u kojima se proučavani objekti koriste direktno i koji nisu mogli biti izmišljeni prije nego što fizičari opisuju svojstva ovih objekata. I drugo, proučavanje novih fenomena proširuje ideje ljudi o fizici i omogućava u budućnosti otkrivanje i objašnjenje drugih ranije nepoznatih fenomena koji će činiti osnovu novih uređaja i tehnologija itd.

Na ovog trenutka Jedna od najočitijih praktičnih primjena BEC-a smatra se stvaranje ultrapreciznih detektora na bazi njega, na primjer detektora magnetnih ili gravitacijskih polja. Detaljnija predviđanja se mogu napraviti kako se dalje proučavaju svojstva BEC-a, koji se kreće vrlo, vrlo brzo.