KONDENSIMI BOSE-EINSHTEIN(Kondensimi Bose) - fenomen kuantik, që konsiston në faktin se në një sistem të një numri të madh të grimcave që binden Statistikat Bose - Ajnshtajni(Gaz Bose ose lëng Bose), në temp-pax më poshtë degjenerimi i temperaturës në gjendjen me pulsin e emrit zero ekziston një pjesë e fundme e të gjitha grimcave të sistemit. Termi "B-E. të." bazohet në analogjinë e këtij fenomeni me kondensimin e një gazi në lëng, megjithëse këto dukuri janë krejtësisht të ndryshme, pasi gjatë B. - E. deri në. ndodh në hapësirën e momentit, dhe shpërndarja e grimcave në koordinatë. hapësira nuk ndryshon. Teoria e B.-E. to. e ndërtuar nga A. Einstein (A. Einstein) në 1925 dhe e zhvilluar nga F. London (F. London) në 1938.

Meqenëse BEC ndodh edhe në një gaz ideal Bose, ai shkaktohet nga vetitë e funksionit valor të grimcave, dhe jo nga ndërveprimet midis tyre. Për një gaz ideal Bose nga Shpërndarja Bose - Einstein

(ku T- abs. temp-pa, e R- energjia e grimcës me vrull - kim. potencial) rrjedh se në energjinë më të ulët. gjendja me është grimca. Nga pozitiviteti del se Nëse faktori i degjenerimit është afër 1, atëherë mund të ketë shumë grimca në gjendjen c. Prandaj, kontributi i grimcave c nuk mund të neglizhohet në llogaritjen e cp. sasive. Nga kushti i qëndrueshmërisë së numrit të përgjithshëm të grimcave në vëllim V vijon ur-tion për:

është gjatësia e valës de Broglie që korrespondon me lëvizjen termike, tështë masa e grimcës. Nga këtu T0- shkalla e kondensimit Bose, ose shkalla e degjenerimit, gjendet nga kushti , i cili shkruhet në gjurmë. forma: .

Në T=0 të gjitha grimcat janë në kondensat, ndërsa në kondensat është vetëm N 0 grimca, dhe pjesa tjetër binden me . Kur presioni rezulton të jetë një funksion vetëm i temperaturës dhe nuk varet nga vëllimi, pasi grimcat e kondensatës, që nuk kanë moment, nuk kontribuojnë në presion. Në , derivati ​​i kapacitetit të nxehtësisë përjeton një kërcim të fundëm, ndërsa vetë kapaciteti i nxehtësisë, energjia dhe presioni mbeten të vazhdueshme, prandaj sistemi i nënshtrohet një lloj tranzicioni fazor.

në , ku aështë gjatësia e shpërndarjes për potencialin e ndërveprimit. Nëse dendësia nuk është e vogël, atëherë numri i grimcave në kondensatë mund të vlerësohet me metodën e variacionit. Për një lëng Bose me bashkëveprimin e molekulave si sfera të forta me diametër b

Për cm, cm 3 është pra 0,08. Sipas vlerësimeve të bazuara në shpërndarjen e neutronit, dendësia e kondensatës në disa % dhe ka afërsisht të njëjtën varësi nga temperatura si dendësia e përbërësit superfluid. Megjithatë, dendësia e grimcave të kondensatës dhe densiteti i përbërësit superfluid nuk mund të identifikohen, sepse në T=0 I gjithë lëngu është superfluid, megjithëse jo të gjitha grimcat e tij janë në kondensatë.

Kondensata Bose-Einstein - gjendja e pestë e materies

Kondensata Bose-Einstein - specifike gjendja e grumbullimit gjendja agregate e materies, e cila përfaqësohet kryesisht nga bozonet në kushte të temperaturës ultra të ulët.

Është një gjendje e kondensuar e një gazi Bose - një gaz i përbërë nga bozone dhe subjekt i efekteve mekanike kuantike.

Statistikat Bose-Einstein

Në vitin 1924, fizikani indian Satyendra Nath Bose propozoi statistika kuantike për të përshkruar bozonet, grimca me rrotullim me numër të plotë, të cilat u emëruan gjithashtu pas tij. Në vitin 1925, Albert Ajnshtajni përgjithësoi punën e Bose duke aplikuar statistikat e tij në sisteme të përbëra nga atome me spin numër të plotë. Atome të tilla, për shembull, përfshijnë atomet e Helium-4. Ndryshe nga fermionet, bozonet nuk i binden parimit te perjashtimit Pauli, dmth disa bozone mund te jene ne te njejten gjendje kuantike.


Statistikat Bose-Einstein janë në gjendje të përshkruajnë shpërndarjen e grimcave me rrotullim me numër të plotë ose zero. Përveç kësaj, këto grimca nuk duhet të ndërveprojnë dhe duhet të jenë identike, domethënë të padallueshme.

Kondensata Bose-Einstein

Një kondensatë Bose-Einstein është një gaz i përbërë nga grimca ose atome me rrotullim me numër të plotë. Siç e dini, grimcat janë në gjendje të marrin disa gjendje kuantike menjëherë - të ashtuquajturat efekte kuantike. Sipas punës së Ajnshtajnit, me uljen e temperaturës, numri i gjendjeve kuantike në dispozicion të grimcave do të ulet. Arsyeja për këtë është se ndërsa temperatura ulet, grimcat do të preferojnë gjithnjë e më shumë gjendjet energjetike më të ulëta. Duke marrë parasysh që bozonet mund të jenë njëkohësisht në të njëjtën gjendje, me uljen e temperaturës, ata do të kalojnë në të njëjtën gjendje.

Kështu, kondensata Bose-Einstein do të përbëhet nga shumë grimca jo bashkëvepruese që janë në të njëjtën gjendje. Vlen të përmendet se, me uljen e temperaturës, natyra valore e grimcave do të bëhet gjithnjë e më e theksuar. Në dalje, do të kemi një valë kuantike-mekanike në një shkallë makro.


Të dhënat e shpërndarjes së shpejtësisë (3 lloje) për një gaz të atomeve të rubidiumit, duke konfirmuar zbulimin e një faze të re të materies, kondensatës Bose-Einstein. Majtas: para shfaqjes së kondensatës Bose-Einstein. Qendra: menjëherë pas shfaqjes së kondensimit. Djathtas: pas avullimit të mëtejshëm, duke lënë një mostër të kondensatës pothuajse të pastër.

Si të merrni një kondensatë Bose-Einstein?

Për herë të parë kjo gjendje grumbullimi u arrit në vitin 1995. fizikantë amerikanë nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë nga Eric Cornell dhe Carl Wieman. Eksperimenti përdori teknologjinë e ftohjes me lazer, falë së cilës u bë e mundur të ulej temperatura e kampionit në 20 nanokelvin. Rubidium-87 u përdor si material për gazin, 2 mijë atome të të cilit kaluan në gjendjen e një kondensate Bose-Einstein. Katër muaj më vonë, fizikani gjerman Wolfgang Ketterle gjithashtu arriti në kondensatë në vëllime shumë më të mëdha. Kështu, shkencëtarët konfirmuan eksperimentalisht mundësinë e arritjes së "gjendjes së pestë të grumbullimit" në temperatura ultra të ulëta, për të cilën ata morën çmimin Nobel në 2001.

Në vitin 2010, shkencëtarët gjermanë nga Universiteti i Bonit, të udhëhequr nga Martin Weitz, morën një kondensatë Bose-Einstein nga fotonet në temperaturën e dhomës. Për këtë u përdor një dhomë me dy pasqyra të lakuara, hapësira midis së cilës u mbush gradualisht me fotone. Në një moment, fotonet e "lançuara" brenda nuk mund të arrinin më një gjendje energjie ekuilibri, ndryshe nga fotonet që ishin më parë atje. Këto fotone "ekstra" filluan të kondensohen, duke kaluar në të njëjtën gjendje energjie më të ulët dhe duke formuar kështu gjendjen e pestë të grumbullimit. Kjo do të thotë, shkencëtarët arritën të merrnin një kondensatë nga fotonet në temperaturën e dhomës, pa u ftohur.

Tashmë deri në vitin 2012 ishte e mundur të arrihet kondensata nga shumë izotope të tjerë, përfshirë izotopet e natriumit, litiumit, kaliumit etj. Dhe në vitin 2014 u testua me sukses një njësi për krijimin e kondensatës, e cila në vitin 2017 do të dërgohet në hapësirën ndërkombëtare. stacion për kryerjen e eksperimenteve në mungesë peshe.

Aplikimi i kondensatës

Edhe pse ky fenomen është i vështirë të imagjinohet, si çdo efekt kuantik, një substancë e tillë mund të përdoret në një gamë të gjerë problemesh. Një shembull i aplikimit të kondensatës Bose-Einstein është lazeri atomik. Siç dihet, rrezatimi i emetuar nga një lazer është koherent. Kjo do të thotë, fotonet e një rrezatimi të tillë kanë të njëjtën energji, fazë dhe gjatësi vale. Nëse fotonet janë në të njëjtën gjendje mekanike kuantike, si në rastin e kondensatës Bose-Einstein, atëherë është e mundur të sinkronizohet kjo substancë e ftohur për të marrë rrezatim për një lazer më efikas. Një lazer i tillë atomik u krijua në vitin 1997 nën udhëheqjen e Wolfgang Ketterle, një nga shkencëtarët e parë që krijoi një kondensatë.

Metoda e marrjes së kondensatës nga fotonet, e cila u përdor nga shkencëtarët gjermanë në vitin 2010, mund të përdoret në energjinë diellore. Sipas disa fizikanëve, kjo do të përmirësojë efikasitetin e qelizave diellore në mot me re.


Kondensata Bose-Einstein - Vizualizimi grafik

Meqenëse kondensata Bose - Einstein është marrë relativisht kohët e fundit, shtrirja e saj ende nuk është përcaktuar saktësisht. Megjithatë, sipas shkencëtarëve të ndryshëm, kondensata mund të jetë e dobishme në shumë fusha, nga pajisjet mjekësore te kompjuterët kuantikë.



Biografët i shpërfillin në masë të madhe 30 vitet e fundit të jetës së Ajnshtajnit, duke i parë ato si diçka të sikletshme, të padenjë për një gjeni, një njollë në historinë e tij ndryshe kristal. Megjithatë, përparimi shkencor në dekadat e fundit na ka lejuar të hedhim një vështrim krejtësisht të ri në trashëgiminë e Ajnshtajnit. Fakti është se puna e tij ishte aq themelore, aq sa e ktheu vetë themelin e njohurive njerëzore përmbys, sa ndikimi i Ajnshtajnit ndihet ende në fizikë. Shumë nga farat e Ajnshtajnit po mbijnë vetëm tani, në shekullin e 21-të, kryesisht për shkak se instrumentet tona - teleskopët hapësinorë, observatorët me rreze X hapësinore, lazerët - janë bërë mjaft të fuqishëm dhe të ndjeshëm për të testuar parashikimet e tij të ndryshme të bëra dekada më parë.

Mund të argumentohet se thërrimet e tryezës së Ajnshtajnit po i ndihmojnë shkencëtarët të fitojnë çmimin Nobel sot. Për më tepër, me ardhjen e teorisë së superstringut, koncepti i Ajnshtajnit për përgjithësimin e të gjitha forcave, dikur objekt talljeje dhe komentesh nënçmuese, tani po vjen në qendër të botës së fizikës teorike. Ky kapitull diskuton zhvillimet e reja në tre fusha ku trashëgimia e Ajnshtajnit jeton dhe sundon botën e fizikës: teoria kuantike, relativiteti i përgjithshëm dhe kozmologjia dhe teoria e unifikuar e fushës.

Në vitin 1924, kur Ajnshtajni shkroi për herë të parë letrën e tij mbi kondensimin Bose-Einstein, ai nuk mendoi se ky fenomen kurioz do të zbulohej në ndonjë të ardhme të parashikueshme. Në të vërtetë, në mënyrë që të gjitha gjendjet kuantike të shemben në një superatom gjigant, ishte e nevojshme të ftoheshin materialet pothuajse në zero absolute.

Megjithatë, në vitin 1995, Eric Cornell i Institutit Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë dhe Carl Wieman i Universitetit të Kolorados bënë pikërisht këtë, duke prodhuar një kondensatë të pastër Bose-Einstein prej 2000 atomesh rubidium në një temperaturë njëzet miliarda të një shkalle mbi zero absolute. Përveç kësaj, Wolfgang Ketterle i Institutit të Teknologjisë në Masaçusets mori në mënyrë të pavarur një kondensatë Bose-Einstein që kishte mjaft atome natriumi për të kryer eksperimente të rëndësishme mbi të. Ai vërtetoi se këto atome tregojnë një model ndërhyrje që korrespondon me gjendjen kur atomet janë të koordinuara me njëri-tjetrin. Me fjalë të tjera, ata silleshin si superatom i parashikuar nga Ajnshtajni mbi 70 vjet më parë.

Zbatimi praktik i kondensatës Bose - Ajnshtajni nuk ka ardhur ende, ndërsa procesi i ndërgjegjësimit

Pas njoftimit fillestar të zbulimit, kjo zonë e lulëzuar është mbushur me bollëk. Në vitin 1997, në MIT, Ketterle dhe kolegët krijuan "lazerin atomik" të parë në botë duke përdorur një kondensatë Bose-Einstein. Siç e dini, vetitë e mahnitshme të dritës lazer janë për shkak të faktit se fotonet lëvizin në unison me njëri-tjetrin, ndërsa drita e zakonshme është kaotike dhe jokoherente. Meqë edhe materia ka vetitë e valës, arsyetonin fizikanët, rrjedha e atomeve mund të bëhej koherente; megjithatë, progresi në këtë drejtim ka ngecur për shkak të mungesës së një kondensate Bose-Einstein. Tani fizikanët e kanë arritur qëllimin e tyre duke ftohur së pari një grup atomesh dhe duke i kthyer ato në një kondensatë, dhe më pas duke drejtuar një rreze lazer në këtë kondensatë, e cila ndërtoi një rreze të sinkronizuar atomesh.

Në vitin 2001, Cornell, Wiman dhe Ketterle u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë. Komiteti i Nobelit i dha atyre "për vëzhgimi eksperimental Kondensimi Bose-Einstein në gazet e rralluara të atomeve metale alkali dhe për studimet e para themelore të vetive të kondensatave të tilla.” Zbatimi praktik i kondensatës Bose-Einstein është ende përpara, deri më tani vetëm procesi i ndërgjegjësimit është duke vazhduar. Rrezet atomike lazer mund të rezultojnë të jenë një mjet i vlefshëm në të ardhmen për nanoteknologjitë. Ndoshta ato do të lejojnë manipulimin e atomeve individuale dhe do të krijojnë shtresa filmash atomike për gjysmëpërçuesit në kompjuterët e ardhshëm.

Përveç lazerëve atomikë, disa shkencëtarë po flasin për ndërtimin e kompjuterëve kuantikë. (kompjuterë që llogaritin duke përdorur atome individuale) bazuar në kondensatin Bose-Einstein, i cili përfundimisht mund të zëvendësojë kompjuterët konvencionalë të silikonit. Të tjerë thonë se masa e fshehur, ose materia e errët, mund të jetë e përbërë në një pjesë të një kondensate Bose-Einstein. Nëse është kështu, atëherë është në këtë gjendje të çuditshme që pjesa më e madhe e materies në univers mund të gjendet.

Përveç kësaj, puna e Ajnshtajnit i detyroi fizikanët kuantikë të rimendonin besnikërinë e tyre ndaj interpretimit origjinal të Kopenhagës të kësaj teorie. Në vitet 1930 dhe 1940, kur fizikanët kuantikë po qeshnin të gëzuar pas shpinës së Ajnshtajnit, nuk ishte aspak e vështirë të injorohej ky gjigant i fizikës moderne, sepse zbulimet e rëndësishme në fizika kuantike bëhet pothuajse çdo ditë. Kush ishte gati të kalonte kohë duke kontrolluar dispozitat themelore teoria kuantike kur fizikanët nxitonin të merrnin çmimet Nobel si mollët nga një degë? U kryen qindra llogaritje mbi vetitë e metaleve, gjysmëpërçuesve, lëngjeve, kristaleve dhe materialeve të tjera, rezultatet e të cilave mund të çonin lehtësisht në krijimin e industrive të tëra. Thjesht nuk kishte kohë për pjesën tjetër. Si rezultat, fizikantët për dekada thjesht u mësuan me interpretimet e shkollës së Kopenhagës, "duke fshirë nën qilim" pyetje të thella filozofike që nuk kishin përgjigje. Mosmarrëveshjet e Bohr-it me Ajnshtajnin u harruan. Megjithatë, sot, kur shumë pyetje "të thjeshta" rreth lëndës janë përgjigjur qartë, pyetjet shumë më komplekse të ngritura nga Ajnshtajni mbeten ende pa përgjigje. Në veçanti, ka dhjetëra konferenca ndërkombëtare në mbarë botën ku fizikanët po rishikojnë problemin e maces së Schrödinger-it të përmendur në Kapitullin 7. Tani që eksperimentuesit kanë mësuar se si të manipulojnë atomet individuale, problemi i maceve nuk është më thjesht akademik. Për më tepër, fati përfundimtar i teknologjisë kompjuterike, e cila përcakton një pjesë të konsiderueshme të pasurisë botërore, mund të varet nga vendimi i saj, pasi kompjuterët e së ardhmes ndoshta do të punojnë në transistorë të ndërtuar nga atome individuale.

Ne jetojmë në anën tjetër të murit ku funksionojnë të gjitha valët tashmë të shembur

Sot pranohet se nga të gjitha alternativat, shkolla e Bohr-it në Kopenhagë ofron përgjigjen më pak tërheqëse për problemin e maceve, megjithëse deri më tani nuk janë gjetur devijime eksperimentale nga interpretimi origjinal i Bohr-it. Shkolla e Kopenhagës postulon ekzistencën e një "muri" që ndan botën e përditshme makroskopike të pemëve, maleve dhe njerëzve që shohim rreth nesh nga bota misterioze mikroskopike kundërintuitive e kuanteve dhe valëve. Në botën mikroskopike grimcat elementare ekzistojnë në një gjendje të ndërmjetme midis ekzistencës dhe mosekzistencës. Megjithatë, ne jetojmë në anën tjetër të murit, ku të gjitha funksionet valore tashmë janë shembur, kështu që universi ynë makroskopik na duket i qëndrueshëm dhe i mirëpërcaktuar. Me fjalë të tjera, një mur ndan vëzhguesin nga objekti i vëzhguar.

Disa fizikantë, duke përfshirë laureat i Nobelit Eugene Wigner, shkoni edhe më tej. Elementi kryesor i vëzhgimit, theksoi Wigner, është vetëdija. Për të vëzhguar dhe përcaktuar realitetin e maces, nevojitet një vëzhgues i ndërgjegjshëm. Por kush po e shikon vëzhguesin? Një vëzhgues gjithashtu ka nevojë për një vëzhgues (i referuar si "një mik i Wigner"), e cila do të përcaktonte se vëzhguesi është gjallë. Por kjo nënkupton ekzistencën e një zinxhiri të pafund vëzhguesish, secili prej të cilëve vëzhgon një fqinj dhe përcakton që vëzhguesi i mëparshëm është i gjallë dhe mirë. Për Wigner, kjo do të thoshte se diku ekziston, ndoshta, një lloj vetëdije kozmike që përcakton natyrën e vetë Universit! Ai shkroi: “Vetë studimi Bota e jashtmeçoi në përfundimin se përmbajtja e vetëdijes është realiteti përfundimtar. Disa kanë argumentuar në lidhje me këtë se kjo dëshmon ekzistencën e Zotit, disa vetëdije kozmike, ose se vetë universi është disi i vetëdijshëm. Siç tha Planck dikur, "Shkenca nuk është në gjendje të zgjidhë enigmën përfundimtare të Natyrës. Kjo sepse, në fund të fundit, ne vetë jemi pjesë e misterit që po përpiqemi të zgjidhim.”

Interpretime të tjera janë propozuar gjatë dekadave. Në vitin 1957, Hugh Everett, atëherë student i diplomuar i fizikanit John Wheeler, propozoi ndoshta zgjidhjen më radikale për problemin e maceve, teorinë e "shumë botëve", në të cilën të gjitha universet e mundshme ekzistojnë njëkohësisht. Macja me të vërtetë mund të jetë e vdekur dhe e gjallë në të njëjtën kohë, sepse vetë universi është ndarë në dysh. Pasojat e kësaj ideje janë, sinqerisht, të pakëndshme, pasi nënkupton se universi vazhdimisht bifurkon çdo moment kuantik, duke formuar një numër të pafund universesh kuantike. Vetë Wheeler, i cili në fillim mbështeti ngrohtësisht idenë e studentit të tij, më vonë e braktisi atë, duke deklaruar se kishte shumë "bagazh metafizik" të lidhur me një qasje të tillë. Imagjinoni, për shembull, një rreze kozmike që shpon mitrën e nënës së Winston Churchill në momentin e duhur dhe shkakton një abort. Kështu, një ngjarje kuantike na ndan nga një univers në të cilin Churchill, i aftë të zgjojë njerëzit e Anglisë dhe të gjithë botën për të luftuar forcat vrasëse të Adolf Hitlerit, thjesht nuk lindi. Në atë univers paralel nazistët mund të kenë fituar të dytën lufte boterore dhe skllavëroi pjesën më të madhe të botës. Ose imagjinoni një botë ku era diellore, e shkaktuar nga ngjarje kuantike, shpërtheu atë kometë ose meteorit që goditi Gadishullin Jukatan të Meksikës 65 milionë vjet më parë dhe zhduku dinosaurët. Në atë univers paralel, njeriu nuk u shfaq fare, dhe Manhattan, ku unë jetoj tani, është i banuar nga dinosaurët e tërbuar.

Kondensimi Bose-Einstein

Pa dyshim, një nga rezultatet më mbresëlënëse të fizikës moderne ishte prova eksperimentale e kondensimit Bose-Einstein të marrë në 1995. Në vitin 1924, Ajnshtajni parashikoi ekzistencën e një gjendjeje të veçantë të materies në të cilën të gjithë atomet me veti të caktuara, të ashtuquajturat. bozonet (me spins të pjesëtueshëm me h) mund të mbeten saktësisht të njëjtë vetitë kuantike. Në 1995. Në vitin 1995, Eric Cornell (l. 1962) i Institutit Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë dhe Carl Wiman (l. 1951) i Universitetit të Kolorados ishin në gjendje të ftohnin atomet e rubidiumit me një rreze lazer dhe t'i kapnin ato në një rreze magnetike kurth . Ftohja e mëtejshme u krye më pas duke përdorur një metodë të quajtur ftohje avulluese, e cila funksionon në të njëjtën mënyrë si ftohet një filxhan çaji, d.m.th. duke lejuar që atomet më të nxehtë të largohen.

Kur arrihet një temperaturë shumë e ulët, atomet në gjendjen e re fillojnë të lëvizin së bashku me të njëjtën shpejtësi dhe në të njëjtin drejtim, në vend që të lëvizin në mënyrë arbitrare, siç është rasti për një gaz të zakonshëm. Atomet humbasin individualitetin e tyre dhe tani bëhen një njësi e vetme kolektive. Konfigurimi i tyre i organizuar rezulton në veti të pazakonta. Kondensimi Bose-Einstein u përftua në një re me atome rubidium-87, të cilat u ftohën deri në ~ 170 nK. Mostra më e plotë përmbante rreth 2000 atome, të cilat ishin në një gjendje të vetme kuantike për më shumë se 15 sekonda. Wolfgang Ketterl (l. 1957) dhe grupi i tij në MIT (SHBA) arritën të merrnin një kondensat natriumi-23 që përmbante njëqind herë më shumë atome. Cornell, Ketterl dhe Wieman morën Çmimin Nobel në Fizikë në vitin 2001 "për arritjen e tyre të kondensimit Bose-Einstein në gazrat e rrallë dhe për studimet e tyre pioniere, themelore të vetive të kësaj kondensate". Me ndihmën e kondensatës Bose-Einstein, është e mundur të studiohen disa aspekte Mekanika kuantike dhe ndoshta të kuptojnë më mirë fenomenin e superpërcjellshmërisë (vetia e disa materialeve për të humbur plotësisht rezistenca elektrike). Origjina e universit lidhet gjithashtu në disa teori me kondensimin Bose-Einstein.

Sjellja e atomeve të tilla të kondensuar në krahasim me atomet e zakonshme të kujton ndryshimet midis dritës lazer dhe dritës së një llambë të zakonshme. Në dritën lazer, të gjithë fotonet janë në fazë, një veti që i bën rrezet lazer të fuqishme dhe të aftë për t'u fokusuar në një pikë shumë të vogël. Po kështu, atomet në një kondensatë Bose-Einstein janë të gjithë në fazë dhe fizikanët po punojnë për t'i bërë ato të sillen në mënyrë që të jenë një "lazer atomik". Një rreze e tillë atomesh lejon manipulime dhe matje në shkallë çuditërisht të vogla. Në një lazer atomik, të gjithë atomet mund të lëvizin si një. Lazer të tillë atomikë mund të përdoren për të vendosur atome në një nënshtresë me saktësi të jashtëzakonshme, duke zëvendësuar fotolitografinë konvencionale. Do të ishte e mundur të ndërtohej një interferometër atomik, i cili, duke qenë se gjatësitë e valëve të atomeve (valët de Broglie) janë shumë më të vogla se ato të dritës, do të mund të bënte matje me saktësi më të madhe se një interferometër lazer. Kjo do të bënte të mundur krijimin e orëve atomike më të sakta, marrjen dhe studimin e ndërveprimeve jolineare të ngjashme me ato optike etj.

Mund të imagjinonim shumë aplikime të tjera dhe perspektiva të ardhshme për lazerët, por shpresojmë që ajo që u tha është e mjaftueshme për të kuptuar mundësitë e mrekullueshme të pajisjeve lazer në shoqërinë e sotme.

Të enjten, më 24 nëntor, në një nga revistat më prestigjioze shkencore - Natyra- u shfaq një artikull nga shkencëtarët të cilët për herë të parë arritën të merrnin një kondensatë Bose-Einstein bazuar në fotone. Me shumë mundësi, për shumicën e lexuesve, fjalia e mëparshme nuk tha asgjë - dhe jo çuditërisht. Një kondensatë Bose-Einstein është një formë shumë specifike, por tepër interesante e materies, nganjëherë referuar si gjendja e saj e pestë, e barabartë me të ngurtë, të lëngët, të gaztë dhe plazmë. Kur një substancë është në këtë gjendje, efektet kuantike fillojnë të shfaqen në të në nivelin makro - në fakt, kondensata Bose-Einstein është një grimcë e madhe (shumë e madhe) kuantike.

Teoria

Kondensata Bose-Einstein (BEC) e bazuar në fotone është një version shumë "i avancuar" i BEC, dhe për një kohë shumë të gjatë besohej se nuk mund të merrej në parim. Por, para se të flasim për këtë, ia vlen të shpjegohet se çfarë është një kondensatë Bose-Einstein. India mund të konsiderohet vendlindja e këtij koncepti - ishte atje që shumicën e kohës një person jetonte dhe punonte, për herë të parë duke treguar mundësinë e ekzistencës së një gjendjeje të panjohur më parë të materies. Emri i këtij njeriu ishte Shatyendranath Bose, dhe ai ishte një nga etërit themelues të mekanikës kuantike.

Për të festuar meritat shkencore të Bose, një nga llojet e grimcave elementare, bozonet, u emërua pas tij. Bozonët përfshijnë, për shembull, fotonet - bartës të elektromagnetizmit dhe gluonët, të cilët mbajnë ndërveprim të fortë dhe përcaktojnë tërheqjen e kuarkut me njëri-tjetrin. Kësaj kategorie grimcash elementare i përket edhe bozoni i famshëm Higgs, për kërkimin për të cilin u krijua Përplasësi i Madh i Hadronit.

Përkatësia e një grimce në bozon përcaktohet nga rrotullimi i saj - momenti këndor i brendshëm i grimcave elementare (nganjëherë koncepti i rrotullimit përkufizohet si rrotullimi i një grimce rreth boshtit të vet, por një paraqitje e tillë e thjeshton situatën). Spin-i i një bozoni është gjithmonë numër i plotë - domethënë, ai shprehet si një numër i plotë. Një shumëllojshmëri tjetër e grimcave elementare - fermionet - ka një rrotullim gjysmë të plotë.

Fermionet (majtas) rreshtohen sipas energjive të niveleve kuantike, ndërsa bozonet (djathtas) mund të grumbullohen në nivelin me energjinë më të ulët. Foto e numrit 23 të Buletinit PersT, 2003

Bozonet dhe fermionet ndryshojnë nga njëri-tjetri jo vetëm në vlerën e rrotullimit - këto grimca janë të ndryshme në një numër karakteristikash themelore. Në veçanti, bozonet mund të mos i binden të ashtuquajturit parim ose ndalim Pauli, i cili postulon se dy grimca elementare nuk mund të jenë në të njëjtën gjendje kuantike. Gjendjet kuantike ndryshojnë në energji nga njëra-tjetra, dhe në temperatura të ulëta fermionet (të cilat i binden rreptësisht përjashtimit të Paulit) mbushin gjendje të njëpasnjëshme me radhë. Gjendjet me energjinë më të ulët (më të "pa stresuara" për grimcat) zënë të parat, dhe gjendjet me energjinë më të lartë janë të fundit. Më qartë, kjo veti e fermioneve për t'u rreshtuar në një vijë sipas gjendjeve kuantike është e dukshme në temperatura të ulëta, kur sjellja e sistemit nuk maskohet nga luhatjet e temperaturës.

Bozonët në temperatura të ulëta sillen ndryshe - ata nuk kufizohen nga përjashtimi Pauli dhe për këtë arsye priren të zënë vendet më të përshtatshme, nëse është e mundur, d.m.th. nivelet kuantike me sa më pak energji. Si rezultat, kur bozonet ftohen, ndodh kjo: ata fillojnë të lëvizin shumë ngadalë - me shpejtësi të rendit të disa milimetrave në sekondë, "shtypin" shumë afër njëri-tjetrit, "kërcejnë" në të njëjtën gjendje kuantike, dhe përfundimisht fillojnë të sillen në një mënyrë të koordinuar - ashtu siç do të sillej një grimcë kuantike gjigante.

Bëhet fjalë për një transformim të tillë, i cili duhet të ndodhë me bozonët në temperatura afër zero absolute, i shkroi Shatyendranath Bose në fillim të viteve 1920 Albert Ajnshtajnit. Bose do t'i dërgonte llogaritjet e tij në një revistë Zeitschrift lesh Physik, por Ajnshtajni u frymëzua aq shumë nga idetë e kolegut të tij indian, saqë e përktheu menjëherë artikullin e tij nga anglishtja në gjermanisht dhe ia dërgoi redaktorit. Krijuesi i teorive të përgjithshme dhe speciale të relativitetit zhvilloi konsideratat e Bose (hinduistët morën parasysh vetëm fotonet, dhe Ajnshtajni plotësoi teorinë e Bose për grimcat me masë) dhe paraqiti përfundimet e tij në dy artikuj të tjerë, të cilët u botuan gjithashtu në Zeitschrift lesh Physik.

Praktikoni

Kështu, teoria BBE, në përgjithësi, u zhvillua në të tretën e parë të shekullit të 20-të, por shkencëtarët arritën të merrnin materien në këtë gjendje vetëm pas 70 vjetësh. Arsyeja e vonesës është e thjeshtë - në mënyrë që bozonët të fillojnë të sillen si një sistem i vetëm kuantik, ata duhet të ftohen në një temperaturë që ndryshon nga zero absolute (minus 273.15 gradë Celsius) për disa të miliontat e një shkalle. Për një kohë të gjatë, fizikanët thjesht nuk mund të arrinin temperatura kaq të ulëta. Vështirësia e dytë ishte se shumë substanca, kur i afrohen zeros absolute, fillojnë të sillen si lëngje, dhe për të marrë BEC, është e nevojshme që ato të mbeten "gaze" (fjala "gaz" është në thonjëza, pasi në temperatura jashtëzakonisht të ulëta. grimcat e një lënde humbasin lëvizshmërinë e tyre - një nga shenjat themelore të gazit).

Në mesin e viteve 1990, u tregua se metalet alkali natriumi dhe rubidiumi ruajnë vetitë e tyre "të sakta" pas ftohjes, që do të thotë se ata teorikisht mund të kalojnë në gjendjen BEC (si izotopi i rubidiumit-87 ashtu edhe izotopi i vetëm i natriumit-23 kanë rrotullime atomike me numra të plotë dhe janë të ashtuquajturat bozone të përbëra). Për të ulur temperaturën e atomeve të rubidiumit në temperaturat e kërkuara ultra të ulëta, studiuesit Eric A. Cornell dhe Carl Wieman nga JILA - një institut i përbashkët i Institutit Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë në SHBA (NIST) dhe Universitetit të Kolorados në Boulder - përdoret ftohja me lazer së bashku me ftohjen avulluese.

Me ndihmën e lazerit, atomet ftohen si më poshtë: një atom thith fotonet që lëvizin drejt tij dhe më pas lëshon rrezatim. Në këtë rast, ndodh një ngadalësim gradual i atomit, dhe temperatura e agregatit të atomeve, përkatësisht, zvogëlohet. Megjithatë, vetëm ftohja me lazer nuk mjafton për të arritur temperaturat në të cilat është i mundur kalimi në gjendjen BEC. Ju mund të "hiqni" fraksionet shtesë të një shkalle duke hequr atomet më të shpejta nga përzierja (një filxhan çaji i mbetur në tryezë ftohet me të njëjtin parim).

Sipas parimit të dualizmit të valëve kuantike, objektet e mikrobotës mund të sillen si grimca ashtu edhe si valë. Në mënyrë që një substancë të kalojë në gjendjen BEC, atomet e saj duhet t'i afrohen njëri-tjetrit në një distancë të krahasueshme me gjatësinë e tyre të valës. Pastaj valët fillojnë të ndërveprojnë dhe sjellja e grimcave individuale bëhet e koordinuar.

Në vitin 1995, shkencëtarët nga JILA arritën të ftohin rreth 2 mijë atome rubidium-87 në një temperaturë prej 20 nanokelvins (një nanokelvin është 1x10 -9 kelvin), dhe si rezultat ata kaluan në gjendjen KBE. Kondensata mbahej në dhomën eksperimentale me anë të një kurthi magnetik të një dizajni të veçantë. Katër muaj pasi grupi i Cornell dhe Wieman publikuan rezultatet e tyre, u shfaq një artikull nga fizikani Wolfgang Ketterle i Institutit të Teknologjisë në Massachusetts (MIT), i cili arriti të marrë një BEC të bazuar në atomet e natriumit. Ketterle përdori një parim paksa të ndryshëm të mbajtjes së atomeve në një kurth magnetik dhe ai arriti të transferojë shumë më tepër atome në "gjendjen e pestë të materies" sesa kolegët e tij nga JILA. Në vitin 2001, të tre shkencëtarët u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë.

Që nga viti 1995, shumë grupe fizikanësh janë angazhuar në marrjen dhe studimin e BEC, të cilët kanë studiuar vorbullat që lindin në të, ndërhyrjen e valëve midis kondensatave dhe shumë më tepër. Në vitin 2009, shkencëtarët për herë të parë në këtë gjendje të atomeve të kalciumit - modeli i valës së shfaqur për këtë element është dukshëm më i qartë se sa për metalet alkali. Në vitin 2003, grupi Ketterle ishte në gjendje të krijonte një analog të një lazeri nga një BEC dhe madje të merrte një BEC nga fermionet. Më në fund, në vitin 2010 ishte për herë të parë - për një kohë të gjatë, shumë fizikanë ishin të sigurt se kjo ishte thelbësisht e pamundur.

Në veçanti, ekspertët besonin se kuantet e dritës do të absorboheshin nga muret e dhomës eksperimentale dhe do të "shpëtonin" nga eksperimentuesit. Për të kapur, ftohur dhe mbajtur mjaft fotone për të marrë dhe studiuar BEC, shkencëtarët nga Universiteti i Bonit përdorën dy pasqyra të lakuara, distanca midis të cilave ishte rreth 1.5 mikrometra - kjo është e krahasueshme me gjatësinë e valës së fotoneve në një gjendje kuantike me një energji minimale.

Metoda e ftohjes me lazer për fotonet nuk është e zbatueshme - ato ndërveprojnë shumë dobët me njëri-tjetrin, kështu që studiuesit i ftohën ato me një ngjyrë të veçantë që thithte dhe lëshonte kuantë të dritës. Fotonet u përplasën me molekulat e tij dhe gradualisht temperatura e tyre u përafrua me temperaturën e bojës. Ndryshe nga atomet, për të marrë BEC të bazuara në fotone, ato nuk kanë nevojë të ftohen në zero kelvin - tranzicioni ndodh tashmë në temperaturën e dhomës. Vetë studiuesit "pompuan" fotonet në të çarë duke përdorur një lazer. Kalimi në gjendjen BEC ndodhi kur numri i fotoneve iu afrua 60,000.

Lexuesit mund të pyesin veten pse shkencëtarët shqetësohen me këtë KBE të pakuptueshme. Kjo do të thotë, interesi thjesht themelor i fizikantëve për të "ndier" dhe parë drejtpërdrejt manifestimin e ligjeve të mekanikës kuantike është i kuptueshëm, por a ka "gjendja e pestë" ndonjë zbatim praktik të dobishëm? Ashtu si në rastin e zbulimeve të tjera fizike, një pyetje e tillë është e parakohshme - nuk ka gjasa që shkencëtarët që studiuan vetitë e zbërthimit radioaktiv ose elektroneve të mund të parashikonin se sa të mëdha do të ishin pasojat e punës së tyre.

Së pari, herët a vonë, inxhinierët dalin me pajisje të reja në të cilat objektet e studiuara përdoren drejtpërdrejt dhe të cilat nuk mund të shpikeshin para se fizikanët të përshkruanin vetitë e këtyre objekteve. Dhe së dyti, studimi i fenomeneve të reja zgjeron idetë e njerëzve për fizikën dhe lejon në të ardhmen zbulimin dhe shpjegimin e fenomeneve të tjera të panjohura më parë që do të përbëjnë bazën e pajisjeve dhe teknologjive të reja, etj.

Në ky moment Një nga aplikimet praktike më të dukshme të BEC konsiderohet të jetë krijimi i detektorëve ultra të saktë të bazuar në të, për shembull, detektorë të fushave magnetike ose gravitacionale. Parashikime më të detajuara mund të bëhen pasi janë studiuar më tej vetitë e BEC, i cili po ecën shumë, shumë shpejt.