2014-04-04

Квантовий газ і гравітація

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Кидати високоточні прилади, як правило, небажано - в результаті такого поводження вони нерідко перестають працювати. Однак саме це зробили дослідники з Інституту Макса Планка, відправивши свою лабораторну установку у вільне падіння з вежі Бременського університету.

Фізики збираються використовувати конденсат Бозе-Ейнштейна в умовах мікрогравітації для створення високоточних приладів, які вимірюють гравітаційне поле Землі. Це дозволило б вирішити цілий ряд завдань - від пошуку корисних копалин до фундаментальних фізичних досліджень.

У вакуумі перо падає з тією ж швидкістю, що і свинцевий м'яч - факт, який дається школярам як незаперечний. Однак принцип еквівалентності - лише постулат, який досі потребує перевірки. Вчені хочуть створити прилад, який виміряв би гравітацію з украй високою точністю, і перевірити, чи може ця гіпотеза справді бути визнана фізичним законом.

Дослідники викликали утворення Бозе-Ейнштейнівського конденсату (БЕК) і спостерігали його поведінку в умовах вільного падіння більш, ніж секунду. Для цього вони помістили магнітооптичну пастку в циліндричну капсулу завдовжки 2,15 і діаметром 1,2 метра. Після «завантаження» в пастку декількох мільйонів атомів рубідію, установка була скинута з висоти 146 м. Вежа в Центрі прикладних космічних технологій та мікрогравітації (Center of Applied Space Technology and Microgravity) Бременського університету використовується як раз для таких експериментів.

За ті чотири секунди, поки капсула падала, дослідники з допомогою дистанційного управління викликали утворення БЕК: сильні магнітні поля і лазери, утримуючи частки в пастці, охолодили їх до температури, всього на кілька мільйонних часток градуса вищої за абсолютний нуль. Втративши практично всю свою енергію, частинки перейшли в єдиний квантово-механічний стан і стали вести себе як одна квантова частинка.

Магнітооптична пастка, використана в експерименті («атомний чіп») створює БЕК менш, ніж за секунду (тоді як на звичайній лабораторній установці на це йде близько хвилини). До того ж, «атомний чіп» вимагає для переходу часток у стан БЕК набагато менше енергії.

Як тільки атоми в капсулі перейшли в єдиний квантово-механічний стан, дослідники обережно випустили БЕК з пастки. Камери, поміщені в капсулу, дозволили їм спостерігати його поведінку. Рух БЕК вкрай чутливо реагує на вплив зовнішніх полів - наприклад, відмінності в гравітаційному полі Землі. Ці відмінності існують, зокрема, завдяки тому, що земна кора неоднорідна за густиною на різних ділянках її поверхні. Чим довше БЕК розширюється в умовах мікрогравітації, тим виразніше видно вплив зовнішніх полів на його поведінку.

Оскільки кожна частинка може розглядатися як хвиля, результати впливу зовнішніх полів на БЕК можуть бути виміряні за допомогою атомного інтерферометра. Квантовий газ поділяється на дві частини і рухається в гравітаційному полі двома різними «шляхами» в просторі-часі. Гравітація веде себе подібно до оптичного середовища, яке заломлює хвилі матерії. Як тільки їхні «шляхи» перетинаються, виникає інтерференція. Інтерференційна картина залежить від характеру розширення кожної з хвиль матерії. Щоб виконати перевірку принципу еквівалентності, потрібно зіставити хвилі матерії різного складу.

Вчені планують створити подібний атомний інтерферометр і застосувати його для запису результатів експерименту на башті в Бремені. Фізики також хотіли б провести подібне дослідження в космосі, адже чим довше конденсат Бозе-Ейнштейна залишається в невагомості, тим більше шансів з'ясувати, чи дійсно всі тіла падають у вакуумі з однаковою швидкістю.

За матеріалами mpg.de.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus