В микромире происходит постоянное движение. Даже неподвижные объекты, если рассматривать их в атомном масштабе, будут двигаться. Молекулы газов и жидкостей постоянно сталкиваются друг с другом. Даже в твердых телах они непрерывно подпрыгивают. Это движение измеряется температурой – чем она теплее, тем быстрее движутся частицы.
Абсолютный ноль означает, что атомы почти полностью перестают двигаться
При абсолютной нулевой температуре – 0 градусов Кельвина или минус 273,15 градусов Цельсия – движение должно, как когда-то считалось, полностью прекратиться. Отсюда «абсолют» в названии, потому что больше ничего нельзя охладить.
Со временем выяснилось, что это не означает, что колебания молекул прекращаются. Это запрещено законами квантового мира (принцип неопределенности Гейзенберга), но атомы при такой температуре могут колебаться очень ограниченным образом. Это называется основным состоянием.
Физики могут охладить вещество до этой температуры, то есть привести его в основное состояние. Однако до сих пор он был успешным в случае небольших групп атомов.
Вибрация зеркал LIGO уменьшена (почти) до нуля.
Теперь это было достигнуто и на более крупном предприятии. Это четыре зеркала, которые являются частью детектора LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Каждое зеркало LIGO весит 40 кг, хотя из-за синхронизированных колебаний они ведут себя так, как если бы их общая масса (так называемая эффективная масса) составляла 10 кг.
Физикам из Массачусетского технологического института удалось охладить их до 77 нанокельвинов, что всего на несколько десятков миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. В этом состоянии зеркала вибрировали в миллионы миллионов раз слабее (фононов, являющихся мерой вибрации, было в них дюжиной, а не несколькими триллионами).
Таким образом, ученые достигли рекорда по охлаждению макроскопического объекта. При такой низкой температуре атомы ведут себя уже не как хаотично шаркающая толпа, а как карательная армия – все синхронно. Благодаря этому можно наблюдать квантовые эффекты, обычно видимые в случае отдельных частиц (или их небольших групп) в макроуровне.
Охлаждение до экстремально низких температур похоже на торможение качелей.
Такого эффекта удалось добиться благодаря сложной системе, защищающей зеркала от вибрации. LIGO измеряет отклонение лучей с помощью очень точного лазера на длинном пути к зеркалам и обратно. Для обнаружения гравитационных волн зеркала должны быть неподвижными. Для этого используется система гашения колебаний с помощью электромагнитных волн.
Это похоже на торможение качелей, объясняет Крис Уиттл из Массачусетского технологического института, которые можно остановить, толкнув их в противоположном направлении. Его команде удалось уменьшить количество фононов (или колебаний решетки) с 10 триллионов до одиннадцати. Конечно, на очень короткое время.
Целью этого эксперимента было выяснить, почему макроскопические объекты не проявляют квантовых свойств на ежедневной основе. Некоторые физики предположили, что это могло быть связано с гравитацией. «Если это так, то вам нужно изучать объекты, достаточно большие, чтобы можно было измерить влияние на них гравитации», – объясняет Вивишек Худхир, член команды.
Для отдельных частиц, которые исследователи до сих пор охлаждали, влияние гравитации трудно измерить – даже миллионы атомов весят всего нанограммы и просто слишком легкие. Конечно, такое охлаждение зеркал LIGO также может сделать весь детектор более чувствительным. Однако это вопрос будущего. Исследователям удалось достичь такого состояния лишь на мгновение.
