Физики сломали реальность? Первый в истории «квантовый дождь» пролился в лаборатории

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Вы когда-нибудь задумывались, почему тонкая струйка воды из крана не льется вечно, а распадается на отдельные капли? А теперь представьте то же самое явление, но происходящее не с водой, а с… облачком газа, охлажденным до температур, от которых стынет кровь в жилах! Да, это не шутка — физики только что стали свидетелями первого в истории «квантового дождя».

Что общего у привычной нам капли из крана и этого экзотического газового облака? Оказывается, больше, чем кажется на первый взгляд! За этим повседневным чудом, когда струйка дробится на капли, стоит серьезная физика — поверхностное натяжение, эта невидимая «пленка» на поверхности жидкости, и явление, которое ученые называют капиллярной неустойчивостью (или неустойчивостью Плато-Рэлея, если хотите блеснуть эрудицией). Попросту говоря, жидкость стремится собраться в как можно меньший объем, свернуться, и длинная тонкая струя для нее — состояние нестабильное, обреченное на распад.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

А теперь держитесь крепче: представьте, что нечто очень похожее удалось наблюдать… в газе! Да не в простом воздухе, которым мы дышим, а в экзотическом облачке атомов, охлажденном до температур, почти достигающих абсолютного нуля. Звучит как научная фантастика? Тем не менее, это реальность, зафиксированная в лаборатории.

Ледяное царство квантов: где газ становится жидкостью?

Чтобы понять, что там произошло, нужно на минутку заглянуть в этот ультрахолодный мир. Когда физики говорят «температуры, близкие к абсолютному нулю» (а это -273,15 °C, холоднее не бывает в принципе), они описывают условия, где атомы практически перестают двигаться. В этом ледяном безмолвии привычные нам законы классической физики отступают, и на сцену выходит ее величество квантовая механика.

Здесь атомы — уже не просто крошечные шарики. Они начинают вести себя как волны, теряют свою индивидуальность и могут вытворять совершенно невообразимые вещи. Например, при определенных условиях ученые научились создавать из ультрахолодных газов… самосвязанные капли! Да-да, капли из газа. Как это возможно? Оказывается, если точно настроить взаимодействие между атомами (в недавнем эксперименте использовали смесь калия и рубидия), они могут «слипаться» в небольшие стабильные группы. Эти скопления, удерживаемые вместе чисто квантовыми эффектами, ведут себя во многом как капли обычной жидкости, хотя формально остаются газом. Эдакие квантовые фантомы жидкости.

(a) Схема эксперимента, показывающая пучок-«волновод» (waveguide beam), катушки Фешбаха и квадрупольные катушки (показаны коричневым и синим цветом соответственно) и линзу объектива. (b) Экспериментальная последовательность, используемая для запуска неравновесной динамики, где Pw и Pc обозначают мощность пучка-«волновода» и «скрещенного» пучка (crossed beam) соответственно. (c) Примеры абсорбционных изображений in situ для ⁴¹K в плоскости xy (57 мкм × 15 мкм) после высвобождения в волноводе при a₁₂ = −85.3(1.5)a₀. Изображения получены в моменты времени 2, 5, 10, 15, 20, 25 мс. Каждое изображение нормировано на свое максимальное значение для улучшения видимости. (d) Осевые профили плотности для ⁴¹K из GP-моделирования для N₁ = N₂ = 4 × 10⁴ и a₁₂ = −85.3a₀, в моменты времени ta, tb, t0, t1 и t2 (сверху вниз), указанные в экспериментальной последовательности (b). — (a) Схема эксперимента, показывающая пучок-«волновод» (waveguide beam), катушки Фешбаха и квадрупольные катушки (показаны коричневым и синим цветом соответственно) и линзу объектива. (b) Экспериментальная последовательность, используемая для запуска неравновесной динамики, где Pw и Pc обозначают мощность пучка-«волновода» и «скрещенного» пучка (crossed beam) соответственно. (c) Примеры абсорбционных изображений in situ для ⁴¹K в плоскости xy (57 мкм x 15 мкм) после высвобождения в волноводе при a₁₂ = −85.3(1.5)a₀. Изображения получены в моменты времени 2, 5, 10, 15, 20, 25 мс. Каждое изображение нормировано на свое максимальное значение для улучшения видимости. (d) Осевые профили плотности для ⁴¹K из GP-моделирования для N₁ = N₂ = 4 x 10⁴ и a₁₂ = −85.3a₀, в моменты времени ta, tb, t0, t1 и t2 (сверху вниз), указанные в экспериментальной последовательности (b).
Автор: L. Cavicchioli et al. Источник: arxiv.org

Ну и при чем тут дождь?

Вот мы и подобрались к самому интригующему. Группа исследователей из Италии и Испании, работающая в Лаборатории квантовых смесей, решила проверить, как поведет себя такая одинокая квантовая капля, если ее немного «растревожить». Используя лазеры — главный инструмент в мире ультрахолодных атомов, позволяющий ловить, двигать и даже «видеть» отдельные атомы — они создали одну такую каплю и поместили ее в своеобразный оптический «желоб».

Что же произошло дальше? Под действием экспериментальных условий капля начала вытягиваться, превращаясь в тонкую нить, этакую квантовую «сосиску». И тут-то, в этом микроскопическом мире, сработал тот самый механизм, который заставляет капать воду из крана! Как только квантовая нить достигала определенной критической длины, она теряла стабильность и — хлоп! — распадалась на несколько более мелких, аккуратных квантовых капелек. Настоящий «квантовый дождь»! Причем, что интересно, количество образовавшихся «дочерних» капель напрямую зависело от длины нити в момент разрыва.

Вид вертикального разреза основной камеры с изображением микроскопа высокого разрешения, расположенного вдоль оси z, над верхним вертикальным смотровым окном.
Автор: L. Cavicchioli et al. Источник: arxiv.org

Почему это так важно, спросите вы?

Ну, во-первых, это просто фундаментально красиво. Наблюдать, как универсальные законы физики, управляющие формированием дождевых капель, проявляются в совершенно экзотических условиях ультрахолодного квантового газа — это само по себе захватывающее зрелище. А во-вторых, это первое в истории науки прямое наблюдение капиллярной неустойчивости именно в атомном газе. Похожие эффекты видели раньше в сверхтекучем гелии (еще одна квантовая диковинка), но газ — это совсем другое дело.

Это открытие, как отмечают сами ученые, не просто любопытный лабораторный трюк. Оно позволяет глубже понять природу этой странной «жидкой» фазы материи, которая существует на самой границе между газом и жидкостью в квантовом режиме. Понимаете, эти квантовые капли — это ключ к пониманию фундаментальных взаимодействий и состояний вещества, о которых раньше можно было только строить теории или моделировать на компьютерах.

Слева: Профили плотности, полученные из GP-моделирования при N₁ = N₂ = 8 × 10⁴, a₁₂ᶠ = −84 a₀ (t_ramp = t_b − t_a = 25 мс, и t₀ − t_b = 5 мс). Справа: Срез профилей плотности вдоль направления волновода при r = 0 (в произвольных единицах). — Слева: Профили плотности, полученные из GP-моделирования при N₁ = N₂ = 8 x 10⁴, a₁₂ᶠ = −84 a₀ (t_ramp = t_b − t_a = 25 мс, и t₀ − t_b = 5 мс). Справа: Срез профилей плотности вдоль направления волновода при r = 0 (в произвольных единицах).
Автор: L. Cavicchioli et al. Источник: arxiv.org

А дальше-то что?

Предсказывать будущее в науке — дело рискованное, но перспективы всегда будоражат воображение. Исследователи полагают, что умение управлять формированием и распадом этих квантовых капель может открыть новые двери. Например, представьте себе возможность создавать упорядоченные массивы таких крошечных, идентичных квантовых объектов. Зачем? Возможно, для разработки новых элементов квантовых компьютеров или сверхчувствительных сенсоров. Звучит интригующе, не правда ли?

Пока что это чистая фундаментальная наука — попытка понять, как устроен мир на самых глубоких уровнях. Ученые увидели знакомое нам явление «дождя» в совершенно незнакомом квантовом зеркале. И кто знает, какие еще тайны скрывает этот ледяной мир ультрахолодных атомов? Одно можно сказать наверняка: каждое такое открытие, даже кажущееся поначалу абстрактным, приближает нас к более полному пониманию Вселенной. И это путешествие, полное неожиданностей, продолжается.