ПРЕДСКАЗАНИЕ ЭЙНШТЕЙНА СБЫЛОСЬ:

СВЕРХАТОМЫ СОЗДАНЫ

Увидеть сверхатом можно даже не в электронный микроскоп, а в обычный, оптический. Размером он с приличную бактерию. Но это не твердое тело, не капля жидкости, не облачко газа, а необычное состояние вещества, в природе не встречающееся. Создано оно было в лаборатории, где объединенная команда физиков из Национального института стандартов и Колорадского университета шаг за шагом продвигалась к абсолютному нулю.

Абсолютный нуль подобен идеалу. К нему можно приблизиться, но достигнуть его нельзя - запрещают законы термодинамики. Абсолютный нуль - это по шкале Кельвина, о которой вспоминают в основном, когда речь заходит о фантастическом холоде. А по привычному нам Цельсию - минус 273,15 градуса (число после запятой бесконечно, как у «пи»).

В 1938 г. П. Л. Капице удалось охладить вещество до двух градусов Кельвина. По тогдашним временам это считалось выдающимся достижением. Известно было, что, приближаясь к абсолютному нулю, вещество должно претерпевать удивительные превращения. Например, при 4,2 градуса Кельвина газообразный гелий становится жидким. А при двух с небольшим, как обнаружил Капица, гелий становится сверхтекучим. У него пропадает вязкость, и он беспрепятственно вытекает через малейшее отверстие в сосуде и даже взбирается по его стенкам, как бы пренебрегая силой тяжести. Много лет спустя Капице за это открытие была присуждена Нобелевская премия, (а Ландау - за теоретическое обоснование сверхтекучести).

Сверхтекучесть, сверхпроводимость... Много разных «сверх» было открыто на подступах к абсолютному нулю, и только сверхатомы, или, как их называют в физике, конденсат Бозе - Эйнштейна, не давались в руки ученым. Шатьендранат Бозе, индийский физик, был одним из создателей квантовой статистики. На основании его и своих вычислений Эйнштейн предсказал, что если физикам удастся охладить подходящее вещество почти до абсолютного нуля и его атомы будут в определенном объеме упакованы достаточно плотно, то они слипнутся друг с другом и превратятся в сверхатомы. Но Эйнштейн и Бозе имели в виду не целые градусы Кельвина и не десятые и сотые их доли, а миллиардные. К нулю надо было подобраться вплотную, а об этом не то что во времена Капицы, но и лет пять назад никто даже и мечтать не мог.

Мечты родились в начале прошлого года. В Институте стандартов шла работа над созданием нового атомного хронометра, для чего понадобилась сверхнизкая температура. Когда ее удалось довести до 700 нанокельвинов, то есть до 700 миллиардных долей градуса, физиков осенило, что они уже близки к условиям, при которых можно проверить предсказание Эйнштейна. Сперва эта идея приобрела черты побочной задачи (основная - хронометр), но вскоре ее возвели в ранг основной. Была образована специальная группа во главе с Эриком Корнелом. Потом в группу влились физики из Колорадского университета. Потом оказалось, что идея носится в воздухе, и такие же группы сформировались в 12 исследовательских центрах Америки и Европы. Началось настоящее соревнование: кто раньше создаст сверхатомы.

Опередила всех колорадская группа, получив сверхатомы при 170 миллиардных долях градуса Кельвина. Почти одновременно с нею сверхатомы создала группа из Хьюстонского университета Райса.

Давно было сказано, что нет ничего практичнее хорошей теории. Создатели новой материи опирались не только на предсказание Эйнштейна, но и на два фундаментальных принципа квантовой механики. Всем известно, что свет можно рассматривать и как поток частиц, и как электромагнитную волну определенной длины. Это проходят в школе. Но точно так же можно рассматривать и атом - и как волну, и как частицу. А это значит, что на него распространяется принцип неопределенности, который сформулировал Вернер Гейзенберг, выдающийся немецкий физик, один из создателей квантовой механики.

Из этого принципа следует, что чем точнее мы определяем скорость частицы или атома, тем неопределеннее становится для нас их положение в пространстве. И наоборот. Если температура атома или частицы приближается к нулю, то и скорость их приближается к нулю. Нуль - число определенное, и скорость атома становится все определенней и определенней, а его положение в пространстве - все неопределенней. Границы атома делаются неясными, размытыми. Область, где может находиться атом, достигает огромных размеров, а когда такие распухшие атомные сгустки теснятся в маленьком объеме, им просто ничего не остается, как слипнуться друг с другом.

Но атом атому рознь. У всех у них есть вращательный момент - спин. В этом смысле каждый атом напоминает волчок. Спин может быть равен либо целому числу, либо дроби. Частицы и атомы, у которых спин составляет целое число, называются бозоны (в честь того же Бозе), а у которых дробь - фермионы (в честь Энрико Ферми). Вот тут-то мы и подходим ко второму фундаментальному принципу квантовой механики, который был сформулирован австрийско-швейцарским физиком Вольфгангом Паули и называется запретом Паули.

Запрет распространяется на все фермионы: им, как говорят физики, запрещено занимать одно и то же квантовое состояние, то есть слипаться. Бозонам же - разрешено. Почти половина таблицы Менделеева - бозоны. Выбор большой. Колорадская группа выбрала щелочной металл рубидий, хьюстонская - литий, две группы Массачусетского технологического института - водород и натрий. У каждой были свои соображения, в которые мы вдаваться не будем.

Что нужно сделать, чтобы охладить вещество? Замедлить движение его атомов - вот и все. Ведь при абсолютном нуле замирает всякое движение. Атомы рубидия вылетают из своего источника со скоростью километр в секунду и наталкиваются на плотную решетку лазерных лучей. Миг - и они в лазерной клетке. Они уже не летят, а ползут - со скоростью всего семь миллиметров в секунду. Движение атомов становится все медленнее, а их температура все ниже.

Но до нуля еще далеко, целых 500 миллиардных градуса, а возможности лазерных тормозов уже исчерпаны. И тогда атомы подвергаются охлаждению выпаривания. Из камеры, где они находятся и откуда выкачан почти весь воздух, магнитным полем удаляют атомы с высокой энергией, то есть самые теплые (из подмороженных), а атомы с низкой энергией, то есть самые холодные, остаются. Все. Теперь они начинают слипаться!

Самым большим достижением экспериментальной физики последнего десятилетия называют ученые получение первых сверхатомов. Самое же интересное, что это новое вещество появилось не в циклопическом сооружении типа ускорителя, к чему мы в подобных случаях уже привыкли, а в скромной настольной установке.