Блог компании RUVDS.com. И остались довольны результатом. Теперь хотят отправить ее на орбиту Земли. Сегодня мы попробуем разобраться в физике пятого состояния материи и выясним, зачем ее сбрасывать с башни.

Бросание игрушек на пол – одно из самых ранних переживаний детства и источник бесконечной радости. Современная физика, какой мы ее знаем сегодня, также основана на последовательном стремлении к этому наивному удивлению по поводу гравитационного притяжения между материальными телами. Вклад Галилея, Ньютона и Эйнштейна в понимание свободного падения определил очертания современной физики.

Общая теория относительности основана на принципе эквивалентности, который гласит, что при свободном падении все объекты падают с одинаковой скоростью, независимо от их массы, при условии, что единственной действующей силой является гравитация. Это было доказано для больших объектов: легенда гласит, что Галилей сделал это первым, сбросив различные шары с Пизанской башни. Остается неясным, справедлива ли эквивалентность в квантовых масштабах, где эффекты гравитации недостаточно изучены. Выяснение этого может помочь создать квантовую теорию гравитации, одну из самых желанных целей современной физики.

Создать квантовый эквивалент теста Галилея непросто. В 2010 году команда под руководством Эрнста Раселя из Ганноверского университета в Германии наблюдала за квантовым объектом в свободном падении, сбросив конденсат Бозе-Эйнштейна вниз со 146-метровой башни. Конденсат Бозе Эйнштейна – облако охлажденных атомов, которое ведет себя как единый квантовый объект. Попробуем разобраться в физике этого странного состояния материи и выясним, зачем ее сбрасывать с башни.

Немного истории

Как иногда хочется бросить все и отправиться в двадцатые годы двадцатого века. Но не для того, чтобы нарушить пространственно-временной континуум рукопожатием с Гитлером или Эйнштейном. Всегда не хватало возможности проникнуться атмосферой научной революции: растоптанными надеждами сохранить классические модели атома, отчаянием перед парадоксами релятивизма, отвращением к зарождающейся квантовой механике.

В ноябре 1924 года Луи де Бройль на защите докторской диссертации изложил идеи о волновых свойствах частиц. Комиссия мыслью не прониклась, а вот научный руководитель, Поль Ланжевен, не позволил работе кануть в небытие: сообщил о ней на Сольвеевском конгрессе и настоял на отправке копии Альберту Эйнштейну. Последний был восхищен и использовал наработки в зарождающейся квантовой статистике. В свою очередь, на идеи де Бройля опирался Эрвин Шредингер, когда выводил свое волновое уравнение в 1926 году.

И подумать только, в декабре того же 1924 года была опубликованаhttps://link.springer.com/article/10.1007/BF01327326 статья Шатьендраната Бозе, которая заложила основы статистики Бозе-Эйнштейна. Также, в честь индийского ученого все частицы с целочисленным спином были названы бозонами. В чём разница между фермионами и бозонамиhttps://habr.com/ru/post/408557/ на Хабре уже обсуждалось. Далее Эйнштейн предсказывает существование того, что мы сегодня называем конденсатом Бозе-Эйнштейна. Однако теория была подвергнута критике Джорджем Уленбеком. Критика была в основном принята, так что Эйнштейн и другие физики некоторое время воздерживались от дальнейшего обсуждения этого состояния материи.

С 1935 года Фриц Лондон разрабатывает идею «макроскопической волновой функции» для теории сверхпроводимости, а в 37-м он услышал про статью о таинственном конденсате. На волне интереса к сверхтекучести и сверхпроводимости «пятое состояние вещества» тоже удостоилось внимания, так как во всех этих явлениях прослеживалась четкая аналогия. И затем в 50-х и 60-х многие важные теоретики атаковали проблему взаимодействия бозе-конденсированного газа. Это чертовски увлекательно: теория была далеко впереди экспериментов в этой области физики. Вплоть до 1995 года. Именно тогда стало возможно достижение вырожденного состояния для атомов щелочных металлов с помощью лазерного охлаждения. И в 2001 году достигших этого рубежа поощрили Нобелевской премией.

Немного теории

Так вот, Билли, когда влажность соприкасается с холодной поверхностью стекла образуются холодные капельки, которые мы называем конденсатом…