В квантовом мире не работает привычная нам логика. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Удивительно, но некоторые макроскопические объекты ведут себя по законам квантового мира. Пример тому — конденсат Бозе-Эйнштейна, открытый в 1990-е годы, крохотное облачко из миллионов атомов, которое ведет себя буквально как один огромный атом. Этот конденсат интересен и с технической точки зрения. Он может стать элементом квантового компьютера. Такого рода компьютеры, — предполагается, что они войдут в обиход в XXI веке, — гораздо эффективнее современных вычислительных машин.

 

Кошка Шрёдингера и Человек-Бог

В квантовом мире частицы движутся самым непредсказуемым образом

Это не небо в облачный день. Это — квантовое электронное облако, модель распределения заряда вокруг ядра атома гелия 

Нильс Бор сказал однажды: кто не шокирован квантовой физикой, тот не понял ее. А Ричард Фейнман обмолвился даже, что квантовую физику не понимает никто. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Для этих частиц любой наблюдатель — Бог. Принимаясь измерять параметры частицы, мы неизбежно меняем субатомарную явь. Мы заставляем неопределенное, неясное обретать четкие очертания. Но какое отношение это имеет к измеряемой реальности? Пока мы не всматриваемся в элементарную частицу, она пребывает одновременно во множестве состояний. Лишь в тот момент, когда мы измеряем ее параметры, она «решает», какое состояние ей принять.

Поясним это с помощью бытового примера. В нашем мире зрители, пришедшие на футбольный матч, на какой бы трибуне они ни сидели, видят, что спортсмены играют мячом одного и того же — допустим, белого — цвета. В квантовом мире тот же самый мяч мог бы одним болельщикам казаться «белым», другим — «черным»: например, половина наблюдателей видели бы одно, половина — другое. Предсказать, что увидит некий господин N, нельзя. Мяч, словно мифический Протей, будет без устали принимать один облик за другим, не повинуясь законам, к которым привыкли мы, жители макромира.

Еще одна странность. В квантовом мире одна и та же частица может одновременно пребывать в двух разных точках пространства. Точнее говоря, две разлетающиеся в стороны частицы могут вести себя так, словно это одна и та же частица. Как отмечают физики, «влияние одной частицы на другую, будь одна из них на Земле, а вторая на Марсе или еще дальше, передается с бесконечной скоростью». Эти частицы связаны между собой, на каком бы они расстоянии ни находились. Их можно сравнить с двумя игральными костями, на которых, сколько их ни кидай, всегда выпадают одни и те же цифры. Стоит нам лишь измерить свойства одной из таких связанных частиц, — например, ее спин, — как у ее «двойника» обнаруживаются те же самые свойства. Некоторые же частицы, — их называют «негативными близнецами», — наоборот, на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу. По словам Эрвина Шрёдингера, подобное дальнодействие — это «самая главная характерная особенность квантовой механики, которая заставляет полностью отказаться от классических представлений».

В свое время эта «странная телепатия», действующая быстрее света, побудила Альберта Эйнштейна назвать квантовую механику ошибочной. Лишь в начале восьмидесятых годов группа французских ученых доказала, что описанная нами «молниеносная» связь частиц является реальным фактом, а вовсе не порождением фантазирующего ума.

* * *

Пожалуй, самый известный пример, иллюстрирующий парадоксы квантового мира, это история «кошки Шрёдингера». Знаменитый австрийский физик придумал следующий мысленный эксперимент, стремясь продемонстрировать законы поведения элементарных частиц на примере макроскопических тел.

Представьте себе ящик, в котором заперта кошка. В том же ящике — бутылка с ядовитым газом. Она открывается с помощью фотоэлемента — тот сработает, едва распадется один-единственный атом радиоактивного вещества, находящийся здесь же. Распадется — кошка мертва. Еще нет — жива. Когда случится непоправимое? Не знает никто. То ли через секунду, то ли через час. Чтобы узнать, что сейчас с кошкой, надо открыть ящик и посмотреть, бегает ли наша мурлыка или же — жестокосердый эксперимент! — перешла в другое состояние. Пока мы не видим кошку, она может быть и жива, и мертва, она находится в любом возможном состоянии — или уж, воспользуемся русской идиомой, — она «ни жива ни мертва». В буквальном смысле слова.

Почему же в момент, когда мы открываем ящик, кошка обретает жизнь? Или смерть… Почему мы меняем параметры частицы, когда всматриваемся в нее? Что в этот момент происходит? Ведь не вырастает же в наших глазах собеседник, стоит бросить на него приветливый взгляд! И не скукоживается, если мы презрительно на него посмотрим… И телекинез по-прежнему остается мечтой. С элементарными же частицами это проще простого. «Элементарно, Ватсон!»

Как же удается моментально совершать переход из макроскопического мира в микроскопический? Почему мы принуждаем некий элемент реальности измениться, не совершая ничего? По одному взгляду — даже не по мановению.

Среди самых распространенных попыток объяснить происходящее — гипотеза декогерентности. Согласно ей, система может по причине внешнего воздействия утратить свои квантовомеханические свойства, и тогда она начнет вести себя в соответствии с законами повседневного мира.

Никто не знает, верна ли эта интерпретация. В последние годы ученые регулярно ставят эксперименты, пытаясь постичь происходящее в квантовом мире, а заодно и понять, где начинается этот мир. Где пролегает граница между микромиром и макромиром? Когда и как законы квантовой механики уступают место законам классической механики Ньютона?

 

Конденсат Бозе — Эйнштейна 

Стоит произнести «квантовая механика», как нам представляются элементарные частицы, атомы или что-то подобное. На самом деле, формулы квантовой механики вполне применимы к макроскопическим телам. Главное, чтобы эти тела не взаимодействовали с внешним миром, чтобы они были идеально изолированы от него.

Неслучайно особый интерес ученых в последнее время вызывают макроскопические объекты, которые ведут себя по законам квантового мира. Пример тому — конденсат Бозе — Эйнштейна, крохотное облачко из множества атомов, охлажденных до сверхнизкой температуры — до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, когда тепловое движение практически замирает. Подобное облачко, находясь в магнитной ловушке, ведет себя буквально как один огромный «атом». Отдельные атомы, составившие его, теряют свободу; они перестают быть независимы друг от друга. «Атомы шагают в ногу», — как было метко сказано в одной из статей, посвященных данному явлению. Образовавшийся макроскопический квантовый объект достигает в поперечнике нескольких микрометров; он во много раз больше обычного атома. Теперь этот объект как единое целое реагирует на любые воздействия, хотя между отдельными его атомами почти не действуют никакие связывающие их силы.

Охлажденное до невероятной температуры облачко атомов начинает «шагать в ногу» — возникает конденсат Бозе — Эйнштейна

Причудливый мир атомов. Слева: атомы натрия и йода на поверхности медной подложки. Справа: «стена», возведенная из атомов железа на медной подложке 

«Обычно все атомы мельтешат, мчатся кто куда, но если их очень сильно охладить, они начинают вдруг маршировать строем, как армия. Разница почти такая же, как между электрической лампочкой и лазером: у лампочки все частицы света мчатся в разные стороны, а у лазера маршируют. Вот мы и сумели построить лазер, который излучает не свет, а вещество. Собственно говоря, все очень просто, не так ли?» — шутливо пояснял суть открытия немецкий физик Вольфганг Кеттерле, получивший впоследствии Нобелевскую премию за исследование этого конденсата, который представлял собой… новое состояние вещества.

Окружающие нас субстанции пребывают в жидком, твердом или газообразном виде. Однако теория допускает и другие агрегатные состояния. Например, все атомы вещества могли бы сконденсироваться на самом низком энергетическом уровне. Подобный объект должен был реагировать на любые воздействия как единое целое, хотя его частицы ничто не связывает. Его поведение можно было бы описать одной-единственной волновой функцией. Этот странный феномен предсказал в середине 1920-х годов Альберт Эйнштейн, анализируя расчеты, которые проделал индийский физик Шатьендранат Бозе. Данная метаморфоза должна произойти в непосредственной близости от абсолютного нуля по шкале Кельвина.

Готовится эксперимент по охлаждению вещества почти до абсолютного нуля и получению конденсата Бозе — Эйнштейна

В самом деле, подобное состояние впоследствии наблюдалось, но получить его в чистом виде не удавалось никак. Так, в сверхпроводниках часть электронов пребывает в виде конденсата Бозе-Эйнштейна. В сверхтекучем гелии часть атомов тоже ведет себя, как единое целое.

В начале девяностых годов сразу в нескольких научных лабораториях «охотились» за конденсатом Бозе — Эйнштейна. Путь к нему пролегал через область сверхпроводящих материалов. Следующая отметка на пути ученых: 4,2 кельвина (около — 269 °С). При этой температуре гелий становится жидкостью. При температуре, равной 2 Кельвинам, он становится сверхтекучим, то есть, не испытывая трения, проникает в тончайшие капилляры.

Собственно область физики сверхнизких температур начинается при температуре ниже 2 Кельвинов. К середине 1990-х годов физикам удалось настолько усовершенствовать технологию охлаждения, что открытие нового состояния вещества казалось неминуемым.

Вот один из методов — так называемое лазерное охлаждение. Газ удерживается в магнитной ловушке, а на него направляется лазерный луч. Он поглощает часть кинетической энергии атомов, и это снижает температуру газа. В потоке световых квантов атомы газа тормозятся словно в «оптическом сиропе». Подобным способом в начале 1995 года удалось охладить газ из атомов цезия до температуры, равной 700 нанокельвинам, то есть 0,0000007 кельвина.

Все готово для получения конденсата Бозе — Эйнштейна 

Но рекорд держался недолго. В том же году американские физики Эрик Корнелл и Карл Уайман из Национального института стандартов и технологий (Колорадо) сперва охладили газ, образованный из атомов рубидия, до 200 нанокельвинов, а чуть позже побили и этот температурный рекорд. Важную роль сыграл выбор газа. Атомы рубидия из-за их размеров легче охладить, чем, например, водород. Кроме того, при работе с ними конденсат легче обнаружить. В случае же с водородом газ может сконденсироваться, и никто ничего не заметит.

Рубидиевый газ предварительно охлаждали лазерами, а затем с помощью направленных радиоволн удаляли из магнитной ловушки самые горячие из атомов. «Происходило примерно то же, что и с чашкой кофе, которую остужают, дав испариться самым горячим частичкам напитка», — поясняет Эрик Корнелл.

Наконец, при температуре, равной 170 нанокельвинам, настал долгожданный момент: рубидиевый газ начал конденсироваться, его плотность резко возросла. Все больше атомов занимало самое выгодное энергетическое положение вместо того, чтобы распределяться по различным уровням, что характерно для обычного газа. В центре ловушки скопились две тысячи атомов. Их скорость и направление движения были одинаковы. Это состояние длилось около пятнадцати секунд.

«Когда исследователи поняли, что за добычу они поймали, всех охватило поразительное волнение. Ведь этот сгусток атомов вовсе не был обычным газом! Речь шла о новой форме вещества, которой приписывают диковинные свойства». Подобными сообщениями летом 1995 года пестрели страницы многих газет.

В первых комментариях к этому эксперименту говорилось, что конденсат Бозе-Эйнштейна мог бы задать новый эталон измерения времени. Что он мог бы проводить тепло лучше, чем металл. Что если сфокусировать его, получится луч, напоминающий лазерный. Подобный луч мог бы стать мощным орудием нанотехнологов. Используя его, можно было бы изготавливать куда более миниатюрные микросхемы, чем теперь.

«Мы проникли в совершенно новую область исследований, — признавался в одном из первых интервью будущий нобелевский лауреат Эрик Корнелл. — Перед нами открываются очень интересные феномены. Я думаю, что в ближайшие годы физика сверхнизких температур переживет свой ренессанс».

Начиная с 1995 года, физики сумели получить конденсат Эйнштейна-Бозе из атомов рубидия, натрия, водорода и гелия. Во всех случаях он состоял из бозонов — квазичастиц с целым спином (собственным моментом количества движения), стремящихся быть как можно ближе друг к другу.

В 1999 году был впервые получен и конденсат из фермионов — частиц с полуцелым спином, которые стараются держаться друг от друга подальше. В данном случае конденсат содержал атомы калия. Они соединялись попарно, образуя своего рода двухатомные молекулы с целым спином.

Это напоминало появление так называемых пар Купера в сверхпроводниках, то есть пар электронов, способных преодолеть взаимное отталкивание. В комментариях специалистов подчеркивалось: «Если бы удалось перевести фермионный конденсат в твердое состояние, то получившееся вещество могло бы иметь свойства высокотемпературного сверхпроводника».

«Изучение фермионных конденсатов может значительно продвинуть исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку механизм образования пар атомов имеет тот же характер, что и образование пар Купера, но при этом атомы значительно более устойчивы к влиянию высоких температур», — писал журналист «Известий» Петр Образцов.

Идет эксперимент с конденсатом Бозе — Эйнштейна 

Наконец, в апреле 2001 года появились сообщения о том, что сотрудники Rice University (Хьюстон, Техас) получили особое состояние вещества: в нем одновременно присутствовали и бозонный, и фермионный конденсаты.

Группа ученых — ее возглавлял Рэндалл Халет — проводила опыты со смесью, содержавшей изотопы лития-6 и лития-7. Атомы последнего ведут себя, как бозоны, поскольку состоят из четного числа элементов: четырех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Атомы лития-6 принадлежат к фермионам. Они состоят из нечетного числа частиц: трех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Два одинаковых фермиона не могут находиться в одном и том же месте, двигаться с одной и той же скоростью, в одном и том же направлении.

На мониторе растрового туннельного микроскопа видны горы, сложенные из атомов

Когда атомарное облако охладили до миллионной доли градуса Кельвина, в самом центре магнитной ловушки расположились атомы лития-7; они образовали компактное облако диаметром около полумиллиметра. При дальнейшем охлаждении оно быстро уменьшалось. Фермионное облако было диффузным, и размеры его мало менялись. В нем действовало так называемое давление Ферми, которое мешало атомам даже при столь низкой температуре скапливаться посредине ловушки. Американские ученые предполагают, что и при более низких температурах фермионное и бозонное облака избегают друг друга и стремятся отдалиться. Подобное явление наблюдалось также в смеси из жидкого гелия-3 и гелия-4.

Любопытны и другие исследования конденсата Бозе — Эйнштейна.

Так, Эрик Корнелл и Карл Уайман в опыте с конденсатом из атомов изотопа рубидия добились быстрого чередования сил притяжения и отталкивания атомов. Это привело к почти взрывному расширению конденсата, напоминавшему взрыв сверхновой звезды. Ученые окрестили данный процесс: «Bose-Nova».

Немецкие физики Йозеф Фортаг и Теодор Хенш, получивший Нобелевскую премию по физике в 2005 году, независимо друг от друга изготовили микросхему, которой можно управлять с помощью капли конденсата Бозе — Эйнштейна. Используя ее, можно накапливать и передавать информацию.

Вольфганг Кеттерле показал, что от конденсата Бозе — Эйнштейна можно «отщипывать» кусочки. Это позволит построить атомный лазер, который будет генерировать излучение вещества, а не света. Конденсат представляет собой идеальную вещественную волну подобно тому, как лазерный свет — идеальную электромагнитную волну. Отдельные его атомы можно описывать волновой функцией, как и когерентный свет. Однако длина волны атомов значительно меньше, чем длина световой волны. С помощью атомного лазера можно создавать самые крохотные структуры, перемещая атомы с точностью до нанометра. Это открытие принесет ощутимый прогресс в нанотехнологии. Преимущество атомных лазеров перед традиционной светооптикой заключается в их чрезвычайно высокой точности. «Применение атомного лазера, — говорит Теодор Хенш, — это, насколько мне известно, самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их».

«Применение атомного лазера, — говорит Теодор Хенш, — это… самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их»

«Конденсат Бозе — Эйнштейна, — отмечает Кеттерле, — открывает путь к созданию и исследованию совершенно новых материалов». Так, плоские полосы или ленты из конденсата «обладают абсолютно иными свойствами, чем трехмерные объекты. Это — совершенно иная физика».

Конденсат идеально подходит для экспериментального исследования свойств квантовых систем. Кроме того, его можно рассматривать как модель макроскопических систем, в которых множество частиц вынуждены взаимодействовать друг с другом. Так, можно создать «оптическую решетку» из световых волн и поместить внутри нее конденсат Бозе — Эйнштейна. Получится своеобразный объект, в котором охлажденные атомы газа будут располагаться строго в определенных точках пространства — почти как атомы в кристаллической решетке. Этот чрезвычайно охлажденный газ можно использовать в лабораторных экспериментах как упрощенную модель твердого тела. Возможно, эксперименты с конденсатом Бозе-Эйнштейна помогут, наконец, точно описать механизм высокотемпературной сверхпроводимости.

Остается добавить, что, по сообщению газеты «Известия», «крупнейшие российские специалисты по конденсатам Бозе-Эйнштейна работают за границей: академик Владимир Захаров — в США, академик Лев Питаевский — в Италии. Эксперименты в этой области в России не ведутся».