Німецькі науковці запустили мініатюрний чип в космос і опромінили його потужними лазерами. Таким чином їм вдалося отримати екзотичний стан матерії, що називають конденсатом Бозе-Ейнштейна. Результати експерименту можуть відкрити нові способи пошуку гравітаційних хвиль — бриж часу-простору, що поширюються зі швидкістю світла.
Конденсат Бозе-Ейнштейна (комп'ютерна симуляція).
Обладнання для експерименту MAIUS-1 (The Matter-Wave Interferometry in Microgravity Experiment, “Матеріально-хвильова інтерферометрія у мікрогравітації”) вивели метеорологічною ракетою з Космічного центру Estrange у Швеції 23 січня 2017 року. Під час експерименту не лише вперше в історії вдалося створити конденсат Бозе-Ейнштейна в космосі, а й провести з дослідним зразком понад 100 експериментів протягом 6-хвилинного польоту. Стаття з описом дослідження вийшла 17 жовтня в журналі Nature.
Конденсат Бозе-Ейнштейна — це стан матерії, який утворюється, коли хмару атомів охолоджувати до температури, що наближається до абсолютного нуля (-273 градусів Цельсія). В такому стані атоми втрачають свої індивідуальні властивості і починають поводитись колективно — наче єдиний атом. Це явище є наслідком принципу квантової механіки, що називається корпускулярно-хвильовим дуалізмом і полягає в тому, що квантові об’єкти мають властивості як частинок, так і хвиль. Довжина хвилі залежить від температури. Частинки з вищою енергією мають коротшу довжину хвилі, а з нижчою — довшу. Якщо групу атомів охолодити до майже абсолютного нуля, коли вони досягнуть однакового низькоенергетичного стану, їхні хвилі протягнуться уздовж усієї атомної хмари і стануть ідентичними.
Остудити атомну хмару до мінімально можливої температури можливо за допомогою лазерів. Коли лазерний промінь емітує фотон (частинку світла) на атом, атом його поглинає і зменшує свій імпульс. В “лобовому” зіткненні атомів з фотонами це змушує атоми втрачати свої імпульси або сповільнюватися. А що повільніше вони рухаються, то менша їхня температура.
Під час експерименту MAIUS-1 хмару атомів рубідію охолодили до майже абсолютного нуля, створивши перший конденсат Бозе-Ейнштейна в космосі. Але навіть цікавішими стали результати експерименту, які продемонстрували, що конденсат Бозе-Ейнштейна можна використовувати для детектування гравітаційних хвиль з точністю, якої неможливо досягнути на Землі.
Минулого року підтвердження існування гравітаційних хвиль наземною Лазерно-інтерферометричною гравітаційно-хвильовою обсерваторією LIGO в Луїзіані принесло Нобелівську премію трьом фізикам, які очолювали цей експеримент. Конденсат Бозе-Ейншейна в космосі може прискорити їхнє детектування, адже, як пояснює Майке Нахман, дослідниця з Університету Лейбніца в Ганновері і одна з провідник науковців MAIUS-1, “атомна інтерферометрія в космосі набагато чутливіша за будь-які сенсори на Землі, а також здатна працювати на частотах, які недоступні для LIGO”.
За допомогою пристрою, званого атомним інтерферометром, науковці змогли розділити хвилі атомів рубідію надвоє, а згодом рекомбінувати їх у такий спосіб, щоб отримати інтерференційний рисунок. Коли атоми перебувають у вільному падінні, або мікрогравітаційному середовищі, вимінювання стає чутливим до інерційних сил, які на них діють, таких як гравітаційне поле. Перевага космічного простору полягає в тому, що за цими силами можна спостерігати набагато довше, ніж на Землі.
Це нове дослідження “прокладає шлях до використання квантових сенсорів в космосі для проведення експериментів, які неможливі на Землі”, — стверджує Ліанг Лю, дослідник з Китайської академії наук у Шанхаї, який не брав участі в дослідженні. Крім того, за його словами, за допомогою цього методу можна детектувати ймовірні надлегкі частки темної матерії, а також спостерігати за тонкими ефектами теорії відносності Ейнштейна.
Перш ніж провести цей експеримент в космосі, вченим спочатку слід було знайти спосіб, як мініатюризувати обладнання, необхідне для отримання конденсату Бозе-Ейнштейна. “Зазвичай таке обладнання займає цілу лабораторну кімнату, — розповідає співавтор дослідження Стефан Зайдель з Університету Ганновера. — Розробка настільки компактного пристрою, який міг би поміститися на метеорологічній ракеті, розміри якої складають усього 2,5 на 0,5 метрів, була неабияким викликом для вчених та інженерів”.
Рубідій — один з елементів, з яких найпростіше отримати конденсат Бозе-Ейнштейна. Але, за словами Лахман, це можливо і з іншими елементами. Наступним кроком для місії MAIUS (MAIUS-2 і -3) стане експериментування з калієм-41. Запуск ракети може відбутись вже наприкінці 2018 року.
Exotic Matter Made in Space Could Boost the Hunt for Gravitational Waves
Space.com 17/10/2018
Зреферував Є. Л.