Чувствительное измерительное устройство нельзя ронять, так как это обычно снижает точность прибора. Однако группа исследователей, включая ученых из Института квантовой оптики имени Макса Планка, сделала именно это. И исследователи хотят использовать этот опыт, чтобы сделать измерительный прибор еще более чувствительным. Команда, возглавляемая физиками из Ганноверского университета, сбросила часть аппарата, в котором они генерировали невесомый конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК), на дно башни сброса в Бременском университете.
Частицы в БЭК теряют свою индивидуальность и могут рассматриваться как «суперчастицы». Исследователи хотят использовать такой сверххолодный квантовый газ в условиях невесомости для создания очень чувствительного прибора для измерения гравитационного поля Земли - для поиска месторождений полезных ископаемых, а также для решения фундаментальных вопросов физики.
Исследование опубликовано в журнале Science.
В вакууме перо падает так же быстро, как свинцовый мячик - то, что уже представляется студентам неопровержимым. «Однако принцип эквивалентности - это только постулат, который нужно проверить», - говорит Эрнст Мария Расель, профессор Ганноверского университета. Согласно принципу эквивалентности, тяжелая масса, с которой тела притягиваются друг к другу, соответствует инерционной массе, противодействующей ускоряющей силе. Это означает, что в вакууме все тела ударяются о землю с одинаковой скоростью. Физики хотят использовать измерительный прибор, который чрезвычайно точно измеряет гравитацию, чтобы исследовать, действительно ли эта гипотеза может стать физическим законом. Команда Эрнста Марии Раселя сделала первый шаг в этом направлении.
Исследователи создали конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) в невесомости и более секунды наблюдали, как атомное облако ведет себя при свободном падении. С этой целью они установили атомный чип, разработанный исследователями, работающими с Теодором В. Хэншем, директором Института квантовой оптики им. высокий и широкий, как дверь. После того, как они переместили облако из нескольких миллионов атомов рубидия на атомный чип, они сбросили весь аппарат на 146 метров в глубину. Башня в Центре прикладных космических технологий и микрогравитации Бременского университета специализируется на таких научных случаях.
Поскольку капсула в течение четырех секунд падала на землю в градирне, исследователи генерировали БЭК на атомном чипе, сначала с помощью дистанционного управления: сильные магнитные поля и лазеры удерживают частицы на чипе и охлаждают их.. При температуре в несколько миллионных долей выше абсолютного нуля, температуре минус 273,16 градуса Цельсия, частицы потеряли почти всю свою энергию и приняли новое физическое состояние: все атомы теперь находятся в основном квантово-механическом состоянии, так что они не могут больше нельзя различить как отдельные частицы в квантовом газе.
Атомный чип - быстрый путь к сверххолодному квантовому газу
«Они ведут себя совершенно когерентно, практически как куча атомов, которая принимает на себя свойства одного огромного атома», - говорит Тило Стейнмец, участвовавший в эксперименте в качестве исследователя из Института квантовой оптики Макса Планка. Поскольку законы квантовой механики гласят, что каждую частицу также можно рассматривать как волну, то можно описать происходящее по-другому: формируется волновой пакет материи, в котором атомы больше не остаются в фиксированных местах - они делокализованы. Эта группировка сохраняется до тех пор, пока энергичный толчок, каким бы слабым он ни был, не смешает ее.
«На нашем атомном чипе мы генерируем BEC менее чем за секунду. С обычным лабораторным оборудованием это занимает до одной минуты», - говорит Тило Штайнмец. Кроме того, эксперимент на атомном чипе требует значительно меньше электроэнергии. «Таким образом, он идеально подходит для использования в градирне, где подача энергии и охлаждение представляют собой логистическую проблему», - говорит Штайнмец.
В десять раз больше времени на измерение
Как только атомы на чипе слились в суперчастицу, исследователи осторожно ослабили ловушку и выпустили БЭК. Камера в капсуле теперь позволяла им наблюдать за распространением конденсата. Это движение чрезвычайно чувствительно реагирует на внешние поля - например, на различия в гравитационном поле Земли. Эти различия существуют потому, что гравитация в определенной точке Земли зависит от локальной плотности земной коры. Чем дольше расширяется конденсат Бозе-Эйнштейна, т.е.е. чем дольше он плывет в невесомости, тем яснее дают о себе знать эти различия по мере его расширения. Только с помощью эксперимента в падающей башне исследователи увеличили время, доступное для измерения, более чем в десять раз по сравнению с лабораторным экспериментом. Это может помочь в будущем значительно повысить точность данных измерений.
Различия можно измерить в атомном интерферометре: Квантовый газ, то есть волновой пакет материи, расщепляется на две части и движется в гравитационном поле по разным траекториям в пространстве-времени. Гравитация ведет себя как оптическая среда, показатель преломления которой преломляет волны. Как только две части воссоединяются, возникает интерференция, которая также возникает, когда волны на водной поверхности сталкиваются друг с другом. Интерференционная картина зависит от того, насколько по-разному расширяются две материальные волны. Если сравниваются волны материи разного состава, то проводится проверка принципа эквивалентности с волнами материи. Физики из группы Эрнста Марии Раселя теперь хотят сконструировать такой атомный интерферометр для капсулы Бременской башни.
«В конечном счете, мы хотели бы проводить такие эксперименты в космосе», - говорит Эрнст Мария Расель. Там же можно было бы проверить принцип эквивалентности. Для этого исследователи должны как можно дольше сбрасывать на Землю облака различных атомов. Тогда они могли бы выяснить, действительно ли все тела падают с одинаковой скоростью. И чем дольше атомные облака остаются в невесомости, то есть чем дальше они падают, тем больше шансов это прояснить.