Атом гонит волну

Одна из возможных моделей визуализации гравитационного поля. Фото с сайта www.nhsis.com

Каждый уважающий себя ученый втайне мечтает о Нобелевской премии. В конце сентября 2009 года весь физический мир облетела весть о получении ультрахолодного (охлажденного) конденсата Бозе–Эйнштейна (ВЕС), названного в память об индийском ученом Ш. Бозе, который вместе с Эйнштейном задался в совместной статье вопросом: что будет, если материю охладить до абсолютного нуля? Они предположили, что в подобном состоянии атомы «сольются» и начнут вести себя как единое целое.

Как и с экспериментальным подтверждением реальности квантовых скачков Нильса Бора, получение ВЕС потребовало десятки лет. ВЕС представлял собой островерхую светлую вершину, образованную примерно 20 тысячами атомов кальция, возвышающуюся посреди «моря» из тех же атомов. ВЕС вел себя как синхронно колеблющееся квантово-механическое единство в форме плотной волны. Это лишний раз доказывало реальность квантового дуализма, когда частицы материи ведут себя как волны. Подобного рода квантовое единство получило название когерентность, или суперпозиция.

Прошло три года, и в венском Университете технологии подтвердили справедливость второго начала термодинамики на квантовом уровне, постулирующего самопроизвольное стремление порядка к беспорядку в закрытых системах, то есть нарастание энтропии. Исследователи научились делить атомное облако ВЕС на две части, после чего рекомбинировать, то есть воссоединять их.

В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, венские ученые писали, что после рекомбинации на атомном чипе им удалось получить интерференцию волн. Это латинское слово употребил в 1809 году британский окулист Т. Юнг, получивший взаимное «смешение» волн света с пиками освещенности и темными «провалами». Но то были фотоны, атомы же намного массивнее. Предварительное сообщение об успехе опубликовал в начале сентября 2012 года журнал Science.

И вот новое сообщение все из той же Вены, на этот раз опубликованное в Nature Communications. Свою статью ученые начали с того, что квантовый дуализм-«двуличие» частицы-волны позволил им создать интерферометр для изучения характеристик и параметров материальных волн, который имеет большее разрешение, нежели оптический аналог.

Сотрудники университета продолжают работать с атомным чипом, позволившим на этот раз не только удерживать конденсат, но и разделить его на два «потока», один из которых шел (был пущен) на 100 нанометров выше другого. Две части сконденсированного облака, различавшиеся своей гравитационной энергией, затем воссоединили. В отличие от фотонов материальные волны нелинейны, что очень важно как для теоретиков, так и для экспериментаторов. Еще одним важным преимуществом подхода является то, что ученым удалось резко снизить уровень собственных «шумов» интерферометра. Это повысило разрешение «двухэтажного» прибора, достоинством которого, как уже говорилось, является снижение уровня собственных шумов.

Новый интерферометр прежде всего захотят использовать физики, занимающиеся поисками волн гравитации, потому что чувствительность лазерных интерферометров, используемых в гравитационных обсерваториях, никого не устраивает. Немаловажно также и то, что теперь появился надежный метод исследования поверхностных сил, измеряемых только с помощью частиц, имеющих массу.

Авторы работы полагают, что в принципе можно построить интерферометр, использующий один «делящийся» атом, ведущий себя как волна. Теперь же ученые владеют искусством суперпозиции атомных облаков, которые подчиняются тем же квантовым законам, что и фотоны, а теперь вот и демонстрируют нам те же квантовые чудеса-феномены.