На МКС впервые наблюдали пятое состояние материи

Ученые впервые наблюдали пятое состояние материи в космосе, которое может помочь решить некоторые из самых трудноразрешимых загадок Вселенной.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна (БЭК), существование которых было предсказано Альбертом Эйнштейном и Индийским математиком Сатьендрой Натхом Бозе почти столетие назад, образуются, когда атомы некоторых элементов охлаждаются почти до абсолютного нуля (0 Кельвинов, минус 273,15 градуса Цельсия).

В этот момент атомы становятся единым целым с квантовыми свойствами, причем каждая частица также функционирует как и волна.

БЭК находятся на границе между макроскопическим миром, управляемым такими силами, как гравитация, и микромиром, управляемым квантовой механикой. Их основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина).

Ученые полагают, что БЭК содержат жизненно важные ключи к таинственным явлениям, таким как темная энергия — неизвестная энергия, которая, как считается, стоит за ускоряющимся расширением Вселенной.

Но БЭК чрезвычайно хрупки. Малейшего взаимодействия с внешним миром достаточно, чтобы увеличить их температуру выше порога конденсации.

Это делает их почти невозможными для изучения на Земле, где гравитация мешает магнитным полям, необходимым для удержания их на месте для наблюдения.

«Микрогравитация позволяет нам ограничивать атомы гораздо более слабыми силами, поскольку нам не нужно поддерживать их против силы тяжести», — сказал Роберт Томпсон из Калифорнийского технологического института в Пасадене.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, документирует несколько поразительных различий в свойствах БЭК, созданных на Земле, и тех, которые находятся на борту МКС.

Существование БЭК в наземных лабораториях обычно длится несколько миллисекунд перед рассеянием. На борту МКС они жили более секунды, предлагая ученым беспрецедентный шанс изучить их свойства.

Микрогравитация на борту МКС позволила им создать БЭК из атомов рубидия — мягкого металла, похожего на калий — в гораздо более мелкой ловушке, чем на Земле. Это объясняет значительно увеличенное время, в течение которого конденсат может быть исследован до диффузии.

«Самое главное, что теперь мы можем наблюдать за атомами, поскольку они плавают совершенно неограниченно (и, следовательно, невозмущены) внешними силами», — сказал Роберт Томпсон.

Руководитель исследовательской группы Дэвид Авелин сказал, что изучение БЭК в условиях микрогравитации открыло множество исследовательских возможностей.

«Область применения варьируется от испытаний общей теории относительности и поиска темной энергии и гравитационных волн до навигации космических аппаратов и поиска подземных минералов на Луне и других планетных телах», — сказал он.

David C. Aveline et al. Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2346-1