Физики установили температурный рекорд — в 280 миллиардов раз холоднее космоса

Даже в практически пустом космосе существует тепловое излучение, оставшееся после Большого взрыва. Оно поддерживает среднюю фоновую температуру около −270,45 °C. Однако китайским физикам удалось получить атомное облако, энергия движения которого соответствует температуре в 280 миллиардов раз ниже. Эксперимент на орбитальной станции «Тяньгун» позволил установить новый рекорд и приблизиться к одному из фундаментальных пределов природы.

Речь идёт об абсолютном нуле — температуре −273,15 °C, или нуле по шкале Кельвина. Согласно законам физики, опуститься ниже этого предела невозможно, но и достичь его самого нельзя. Чем ближе вещество к абсолютному нулю, тем труднее извлечь из него оставшуюся тепловую энергию.

Учёные стремятся к таким температурам не только ради рекордов. При экстремальном охлаждении некоторые атомы переходят в необычное состояние вещества — конденсат Бозе — Эйнштейна. В нём частицы перестают вести себя как независимые объекты: их квантовые состояния объединяются, и всё атомное облако начинает проявлять свойства единой квантовой системы.

Это позволяет исследовать квантовые явления в масштабах, значительно превышающих размеры отдельных атомов. Кроме того, такие облака могут служить основой чрезвычайно чувствительных измерительных приборов.

Но получить конденсат Бозе — Эйнштейна непросто. Одна из главных трудностей связана с гравитацией, которая на Земле ограничивает возможности охлаждения и наблюдения за атомами. Поэтому исследователи решили воспользоваться условиями длительной невесомости на орбите.

Эксперименты подобного рода уже проводились в космосе. В 2018 году специалисты НАСА впервые создали конденсат Бозе — Эйнштейна на Международной космической станции, охладив атомы рубидия до 100 нанокельвинов. Позднее учёным удалось добиться ещё более низких значений. Предыдущий рекорд составлял 38 пикокельвинов и был установлен в эксперименте со свободным падением в специальной башне в немецком Бремене.

Теперь исследователи из Пекинского университета и Китайской академии наук улучшили этот результат почти в четыре раза.

Для эксперимента использовали облако атомов рубидия-87. Сначала его удерживали в ловушке из лазерного света и охлаждали лазерами. Затем применили метод испарительного охлаждения: наиболее энергичным атомам позволяли покинуть ловушку, благодаря чему средняя энергия оставшихся частиц уменьшалась.

Примерно так же остывает горячий кофе, когда вместе с испаряющимися молекулами воды уходит часть энергии.

Однако в невесомости возникла неожиданная трудность. На Земле гравитация помогает удалять атомы, покидающие ловушку. На орбите этого эффекта практически нет. Поэтому учёным пришлось создать его искусственный аналог с помощью неоднородного магнитного поля, которое заставляло наиболее энергичные атомы эффективнее покидать облако.

В результате удалось получить конденсат Бозе — Эйнштейна примерно из 20 тысяч атомов, охлаждённых до 3,1 нанокельвина. Но это был лишь промежуточный этап.

Исследователи переместили конденсат в другую, более широкую лазерную ловушку, а затем постепенно ослабили её. Это позволило уменьшить энергию последующего расширения атомного облака. Когда ловушку полностью отключили, атомы начали свободно разлетаться.

Именно здесь произошло самое интересное. Облако расширялось настолько медленно, что отдельные атомы удавалось обнаруживать даже спустя семь секунд после освобождения. По скорости расширения физики рассчитали эквивалентную температуру всего 9,7 пикокельвина, или 0,0000000000097 кельвина.

Это самый низкий показатель такого рода, когда-либо зарегистрированный, по утверждению авторов исследования, опубликованного в журнале Science.

Впрочем, здесь есть важное уточнение. Полученное значение — не обычная температура вещества, а так называемая эквивалентная температура. Она характеризует энергию, связанную с расширением атомного облака. Иными словами, учёные измерили, насколько медленно разлетаются атомы, и выразили соответствующую энергию в температурных единицах.

Поэтому результат не означает, что всё облако в обычном термодинамическом смысле охладилось до 9,7 пикокельвина. Однако для будущих квантовых экспериментов именно такая чрезвычайно низкая энергия движения представляет особую ценность.

Чем медленнее разлетаются атомы, тем дольше исследователи могут наблюдать за ними и управлять их состоянием. Это открывает возможности для создания более чувствительных приборов, способных регистрировать мельчайшие изменения окружающей среды.

Одно из перспективных направлений — атомная интерферометрия, использующая волновые свойства атомов для высокоточных измерений. Подобные приборы могут помочь проверить фундаментальные законы физики, в том числе принцип эквивалентности, согласно которому гравитация одинаково воздействует на тела независимо от их массы и состава.

Кроме того, возможность длительно удерживать ультрахолодные квантовые системы в космосе позволит изучать экзотические состояния вещества, исследования которых на Земле затруднены.

Таким образом, главный результат эксперимента заключается не только в рекордном показателе. Учёные продемонстрировали способ получить в условиях орбитальной станции атомное облако с исключительно медленным расширением. В будущем это может стать основой для новых экспериментов, в которых точность измерений имеет решающее значение.