С давних пор было известно, что вещества могут существовать в виде твердых (кристаллических) тел, жидкости, газа и плазмы - в целом нейтральной смеси положительно и отрицательно заряженных частиц. Нобелевской премии по физике 2001 года удостоены американские исследователи Эрик А. Корнелл (Eric A. Cornell), Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) и Карл Е. Вейман (Carl E. Wieman) за получение и исследование свойств пятого состояния вещества - так называемого бозе-эйнштейновского конденсата.

Одной из важнейших характеристик частицы служит ее собственный момент количества движения - спин (от англ. spin - вращаться, хотя никакого вращения в мире элементарных частиц нет). Измеряется спин в единицах постоянной Планка ħ и равен Jħ, где J - характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе и 0) или полуцелое (например, ¹/₂) число. Свойства частиц с целым спином исследовали Ш. Бозе и А. Эйнштейн, с полуцелым - Э. Ферми и П. Дирак; сами частицы стали называться соответственно бозонами и фермионами. К фермионам относятся, например, нуклоны (нейтроны и протоны), электроны, атомные ядра с нечетным атомным номером; к бозонам - фотоны, ядра с четным суммарным числом нуклонов, молекулы газов. Они имеют принципиально различные физические свойства.

Фермионы - "индивидуалисты": в определенном квантовом состоянии может находиться только одна частица. Бозоны же, напротив, в любом количестве могут принимать одно и то же квантовое состояние и при определенной температуре переходят в одинаковое состояние с нулевым импульсом. Это явление называется бозе-эйнштейновской конденсацией по аналогии с превращением пара в жидкость. При этом весь конденсат, состоящий из множества частиц, начинает вести себя как одно целое, как одна частица.

Американские исследователи получили бозе-эйнштейновский конденсат из нескольких миллионов атомов рубидия (⁸⁷Rb) и натрия (²³Na), охладив их до температуры 100 нанокельвинов, на десятимиллионную часть градуса выше абсолютного нуля (см. "Наука и жизнь" №5, 1996 г.). Впоследствии температуру удалось довести до 20 нанокельвинов. Охлаждение проводилось лазерным методом, разработанным нобелевскими лауреатами 1997 года С. Чу, У. Филипсом и К. Коэн-Таннуджи (см. "Наука и жизнь" №1, 1998 г.).

Показать, что образовался именно бозе-эйнштейновский конденсат, удалось в ходе тонкого эксперимента, получившего название "атомный лазер" (см. "Наука и жизнь" №10, 1997 г.).

Любая частица одновременно проявляет и волновые свойства. Электромагнитное излучение имеет квантовую природу, а, например, электроны, типичные элементарные частицы, испытывают дифракцию - чисто волновое явление. Длина волны, связанной с частицей, зависит от ее квантового состояния. Бозе-эйнштейновский конденсат должен вести себя как единая волна. Разделив облако конденсированных атомов на две части, исследователи получили две волны, которые образовали картину интерференции. Это и свидетельствовало, что волны когерентны и, следовательно, действительно был получен бозе-эйнштейновский конденсат из атомов, находящихся в одном квантово-механическом состоянии.

Эрик А. Корнелл.

Вольфганг Кеттерле.

Карл Е. Вейман.

Бозе-эйнштейновский конденсат рубидия. Графики показывают распределение атомов с момента начала конденсации до ее завершения. Профиль расползающегося атомного облака снят спустя 6 микросекунд после выключения магнитного поля ловушки.

Капли бозе-эйнштейновского конденсата атомов натрия - когерентной материи - падают в поле земного тяготения, образуя "атомный лазер". Настоящий размер этого снимка - 2,5x5 миллиметров.

Интерференция двух облаков бозе-эйнштейновского конденсата атомов натрия. Расстояние между полосами интерференции 15 микрон. Четкость картины говорит о высокой когерентности "волн материи" конденсата.

№1, 2002