В 1995 году первый КБЭ на основе газа атомов рубидия получили в лаборатории. Однако изучению свойств этого состояния вещества на Земле мешает гравитация. Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые создали на МКС Лабораторию холодного атома, первые результаты работы которой описаны в статье.

Использование космической микрогравитационной среды позволило авторам исследовать физику этой экзотической формы вещества, занимающей промежуточное положение между квантовым и материальным миром. При сверхнизкой температуре в состоянии вечного свободного падения бозоны становятся материей, обладающей квантовыми свойствами.

Центральным принципом квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому каждая частица может быть описана как волна материи. В ультрахолодных газовых комплексах атомы заполняют самое низкое энергетическое состояние, и их облако можно рассматривать как единую материальную волну. Именно это свойство бозонов, которое называется квантовым вырождением, и изучали авторы в эксперименте на орбите.

Состояние конденсата Бозе — Эйнштейна на Земле и в космосе

Конденсация Бозе — Эйнштейна достигается охлаждением атомного облака с помощью магнитного испарения — комбинации светового и магнитного полей. При таком подходе атомы заключаются в магнитную ловушку, а те из них, которые обладают наибольшей кинетической энергией — самые "горячие" — выбиваются из ловушки радиочастотным излучением. Остальные атомы сталкиваются друг с другом и достигают теплового равновесия при более низкой температуре. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не образуется КБЭ.

Оказалось, что свойства конденсатов Бозе — Эйнштейна в условиях космической микрогравитации существенно отличаются от их свойств на Земле. Например, время свободного расширения, когда атомы колеблются после отключения магнитных ловушек, в космосе составляет около секунды, в отличие от миллисекунд на Земле.

Это очень важно для изучения КБЭ. Освобождение от магнитного поля приводит к тому, что облако атомов под действием отталкивающих сил начинает расширяться, и через некоторое время концентрация его становится слишком низкой, чтобы можно было измерить параметры конденсата. Поэтому, чем дольше время наблюдения, тем выше точность.

Скорость расширения может быть снижена за счет уменьшения глубины ловушки и плотности атомов в ней. На Земле из-за гравитационного притяжения, чтобы удержать КБЭ, требуются глубокие ловушки. На МКС, при чрезвычайно слабой гравитации, как показали результаты эксперимента, достаточно мелких ловушек.

Кроме того, в условиях микрогравитации для захвата атомов требуются меньшие силы, а значит экзотические квантовые эффекты становятся заметными при менее экстремальных температурах.

Ученые надеются, что созданная ими установка — атомный интерферометр на околоземной орбите — откроет новые возможности для исследования квантовых газов, а также других экспериментов по изучению свободного падения, а возможно, и темной энергии.

источник риа / nplus1

Всем привет, сегодняшний пост, называется «классическая телепортация» по двум причинам:

1. Просто потому, что именно такое название предложил Астон Брэдли из Центра квантовой атомной оптики в Брисбене, который является одним из основоположников этого метода телепортации.

2. Этот способ телепортации почти точно повторяет это явление во многих фантастических фильмах - предмет помещают на телепортационную платформу, где он превращается в свет и проноситься по проводам на другую платформу, где он из света вновь материализуется. Именно так этот способ телепортации выглядит для наблюдателя со стороны.

И если вы думаете что это до сих пор возможно только в фантастических произведениях, то у меня для вас новости. Но обо всём по порядку. Как обычно разбор будет детальный. Так же напомню что это вторая часть про телепортацию, если пропустил первую, так же рекомендую к прочтению.

Для того чтобы понять как работает классическая телепортация нам понадобятся некоторые знания о явлении которое было открыто относительно недавно. Хотя Эйнштейн теоретически и предсказывал его почти сто лет назад в 1925-ом. И явление это поистине удивляет, ведь это пятое агрегатное состояние вещества.

Да, я не сбился со счета, именно пятое. Хотя всё мы знаем только три с половиной состояния, оказывается, что их как минимум 5. Мы знаем о твёрдом, жидком, газообразном состоянии и пожалуй каждый хоть что-то слышал про плазму. Давайте по порядку, а чтобы было в сто раз понятней, будем проводить аналогию будем с пачкой пельменей.

Представим целлофановую упаковку, заполненную воздухом, в которой только три замороженных пельмешка. Каждый пельмешек относительно свободен и волен двигаться куда ему вздумается, если упаковку потрясти. Он редко встречается с другими пельмешками, чаще со стенками упаковки, а если и встретиться с другим, то они при столкновении отскочат друг от друга, и полетят дальше по своим делам. Это пачка будет соответствовать газу, каждый пельмешек, который символизирует атом или молекулу, относительно свободен и другие пельмешки на него мало влияют.

В последующих примерах пельмешек всё так же будет символизировать атом, где ядро это начинка, а тесто – это орбиталь на которой вращается электрон.

Дальше у нас всё та же пачка, но уже заполненная замороженными пельменями целиком. Пельмешки теперь мешаются друг другу, и сталкиваются между собой гораздо чаще, чем со стенками упаковки. Вы без проблем можете засунуть руку внутрь упаковки и потрогать любую стенку изнутри, при этом пельмешки будут словно обволакивать вашу руку, а некоторые выспятся из пачки, ибо место в пачке заняла ваша рука. Вы уже догадались что это аналогия с жидкостью. Атомы в ней гораздо более близки друг к другу нежели в газе, они часто взаимодействуют, но не особо связаны друг с другом.

Далее представим, что мы вытащили пачку пельменей на несколько часов из морозилки, они подтаяли, а мы вновь засунули упаковку в морозилку. Теперь мы имеем ту же самую упаковку, но все пельмени в ней слиплись и замерзли. Мы можем разглядеть, или отковырять один пельмешек, он не потерял своей структуры, всё так же снаружи тесто, а внутри мясо, но теперь пельмени связаны между собой довольно сильно. Конечно, руку в такую упаковку вы уже не засунете. А пельмешки вообще не могут путешествовать и надёжно скреплены друг с другом. Это и есть аналогия с третьим агрегатным состоянием – состоянием твёрдого тела.

Всё это вы и так знаете и на подсознательном уровне понимаете, а теперь давайте перейдём к тому с чем мы в реальной жизни не сталкиваемся. 4-е агрегатное состояние вещества плазма.

Наши пельмени мы закидываем теперь в кипящее масло, нагретое до невероятно высоких температур. Настолько горячее, что тесто попросту превратилось в искорёженные ошмётки, а кусочки мяса в угольки. Вся жидкость которая была в пельменях испарилась и улетела в виде пара, а объём каждого пельмешка значительно уменьшился. Это значит что в кастрюлю с водой куда бы поместилась только одна упаковка пельменей, в кастрюлю с кипящим маслом, из-за того что объём уменьшился, может поместиться больше пельменей. И мы закидываем ещё одну пачку в наше кипящее супер-масло. И снова пельмени превращаются в труху из теста и угольки из мяса. А затем ещё одну пачку, и ещё, и ещё… ещё.. ещё ещё ещё ещё ещё. И вот когда кастрюля под завязку оказалась наполненной угольками из начинки пельменей и трухи теста, мы остановились, и оказалось что мы смогли уместить полторы тысячи пачек пельменей туда, куда при обычных условиях влезала лишь одна. Это состояние когда структура атома, по каким либо причинам, разорвана в клочья, из-за чего атомы теряют свой изначальный объём и разваливаются отдельно на ядра и электроны, и называется плазмой. Для плазмы характерны невероятно высокие плотности, даже плазма состоящая из легчайшего водорода весит 150 кг/литр. Это в шесть с половиной раз тяжелее самого тяжёлого вещества на нашей планете. И это для плазмы для легчайшего во вселенной водорода. Как вам полторашка весом в 225 кг?

Плазму видели конечно все, это молния например, или свечение издаваемое плазменными панелями, а вот пятое агрегатное состояние вообще никогда не встречается во вселенной и возможно лишь в самых технически-оснащённых лабораториях на планете. Речь идёт о конденсате Бозе-Эйнштейна. Далее КБЭ (оговорочка, в одном из прошлых постов я упоминал Игоря Ткачёва, который выдвинули теорию экзотической материи. Так вот, если теория верна, то КБЭ может образоваться и в естественных условиях).

Для того чтобы провести аналогию КБЭ и пельменей, представьте что мы достали те самые ошмётки из кастрюли с плазмой уплотнённые в 1500 тысячи раз и сразу их заморозили. Да не то бы вот просто в морозилку положили. А заморозили так, как не может заморозить ни один холод космоса. До температуры, которая всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Как я говорил в посте о теории большого взрыва, вселенную заполняет реликтовое излучение температурой в 3 градуса кельвина, т.е. это минимальная естественная температура во вселенной, а если мы хотим получить КБЭ, нам стоит охладить пельмешки до температуры в миллионы раз ниже, чем самая низкая температура во вселенной. Ок сделано, что дальше. А вот собственно дальше и начинается магия.

Представьте себе наш мега пельмень, слипшийся и охлаждённый до невероятно низкой температуры. В этом пельмене не понятно где тут тесто, а где начинка, да и вообще этот пельмень ведёт себя в точности как самостоятельный отдельный атом, ибо все его составляющие пельмешки когерентны между собой. Они слились в едином порыве в один мега пельмень и их волновые функции колеблются отныне в унисон. И… и я не могу провести аналогию между волновой функцией и пельменем. Но дело в том, что этот мега-пельмень теперь ведёт себя так, словно он атом, и проявляет свойства характерные атомам даже в нашем макромире. Ранее считалось, что проявление квантовых свойств вообще невозможно в макромире, а вот на тебе, придумали конденсат Бозе-Эйнштейна, за что в 2001 году Эрик Корнелл, Карл Вимен и Вольфганг Кеттерле и получили нобелевку.

Но вернёмся к нашему мега-пельменю. Он настолько постиг дзен, что возвращает в это нирваничечское состояние любые пельмешки, которые мы начнём в него кидать. Если мы швырнём обычным пельменем в пельменя-праотца, то мега-пельмень примет в свои объятия кинутого и сольётся в ним воедино, а вся энергия которой обладал кинутый пельмешек вырвется наружу в виде потока света. Любые объекты обладающие значительно меньшей массой чем конденсат Бозе-Эйнштейна, при взаимодействии сольются с ним, и все электроны этих объектов спустятся на свой самый низкий энергетический уровень, сливаясь в унисон с конденсатом Бозе-Эйнштейна. При переходе электрона на более низкий энергетический уровень последний испускает фотон, т.е. свет. Вот в этом свете и содержится полностью вся информация о том объекте который мы кинули в конденсат.

На этом месте совершенно не трудно догадаться как работает классическая телепортация. Мы подготавливаем КБЭ, и кидаем в него объект телепортации, который ври взаимодействии с КБЭ превращаются в поток света, этот свет мы улавливаем и передаём по оптоволокну в другую камеру, где у нас тоже есть конденсат, но меньший по массе. Затем мы освещаем конденсат светом содержащим всю информацию о телепортируемом объекте, и он волшебным образом превращается в изначальный объект.

Ещё раз с пельменной аналогией. Есть гигантский пельмень-праотец, представляющий собой конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором 1500 тысяч пачек пельменей. В него мы кидаем одинокий пельмешек, который хотим телепортировать. Они сливаются в экстазе, а на свободу вырывается поток света, содержащий всю информацию из кинутого пельмешка. Далее этим светом мы освещаем небольшой комочек бесформенного конденсата Бозе-Эйнштейна, тем самым сообщаем ему информацию о телепортируемом пельмене, и бесформенный кусок принимая эту информацию превращается в точную копию изначально-телепортируемого пельмешка.

В целом это всё. Сегодня всё новые и новые группы ученных заявляют об успешно завершённой телепортации атомов при помощи этого способа. Среди них есть и российские физики. Хотя эксперимент проводили совместная группа из российских и японских учёных, но всё равно новость приятная. А в этом десятилетии обещают даже телепортировать вирус или даже бактерию. Будем ждать.

Возникает резонный вопрос по поводу того что на самом деле изначальный объект полностью уничтожается, а затем собирается из других атомов в другом месте. Фактически телепортируемый объект разрушается даже не на молекулярном, а на атомарном уровне. Так вот вопрос в том, если телепортируют человека, будет это тот же самый человек, или изначальное сознание умрёт, а будет создано нечто новое. Но это уже вопрос не столь науки, сколько скорее философии, и тем не менее он довольно важен. Ответа у учёных пока нет.

На этом у меня всё, спасибо что дочитали.

Пометочка: для создания КБЭ, изначально плазма не нужна. Но для аналогии годится.