На китайской космической станции получено самое холодное вещество в истории
В лаборатории, обращающейся на высоте около 400 километров над Землёй, небольшое облако атомов рубидия охладили до 9,7 пикокельвина. Это примерно на 14 порядков холоднее комнатной температуры и холоднее любого другого искусственного материала, когда-либо зарегистрированного. Результат, полученный на борту китайской космической станции, привлёк внимание далеко за пределами физических журналов — отчасти потому, что эту цифру трудно вообразить, а отчасти потому, что такой эксперимент можно было провести только на орбите.
Чтобы понять масштаб: один пикокельвин — это одна триллионная кельвина. При 9,7 пикокельвина атомы почти не движутся. В ходе эксперимента облако атомов рубидия за семь секунд сместилось примерно на 500 микрометров — примерно на ширину человеческого волоса; такой темп выглядит как замедленная съёмка, но это просто реальное состояние облака атомов вблизи абсолютного нуля.
Зачем отправляться в космос, чтобы это сделать? На Земле гравитация тянет любое захваченное облако атомов, поэтому исследователям приходится отключать магнитные или оптические ловушки и позволять атомам падать, пока они их наблюдают. Это даёт им доли секунды, прежде чем облако выйдет из поля зрения. В микрогравитации облако парит. Китайская команда могла наблюдать за ним секундами, а не миллисекундами, — именно поэтому измерение смещения вообще стало возможным.
Холодные атомы — не просто диковинка. При температурах, близких к абсолютному нулю, квантовые эффекты становятся видимыми в макроскопическом масштабе: атомы ведут себя как волны, а интерференционные картины можно измерять с исключительной точностью. Такие системы лежат в основе некоторых из самых точных в мире атомных часов, чувствительных датчиков гравитации и магнитных полей, а также платформ для проверки фундаментальной физики. Более длительное окно наблюдения в космосе может сделать эти измерения более точными.
Эксперимент — часть более широкого наступления в исследованиях холодных атомов. Лаборатории в Европе и США получали ультрахолодные газы на земле и на геофизических ракетах, а Cold Atom Lab на Международной космической станции работает с 2018 года. Китайский результат, объявленный самым холодным известным искусственным веществом, добавляет новый ориентир к этим международным усилиям. Исследователи проекта говорили, что цель — не рекорд ради рекорда, а стабильная платформа для повторяющихся экспериментов.
Для обычных читателей практическая отдача наступит не сразу. Ультрахолодные атомы вряд ли скоро появятся в потребительских устройствах. Но технологии, которые они открывают, — более точные часы для навигации, более чувствительные приборы для картографирования подземных структур и проверки того, как ведёт себя материя на квантовом пределе, — обычно приходят незаметно, встраиваясь в системы, которые уже зависят от точного хронометража и измерений.
Команда, стоящая за работой, описала следующие шаги как повышение стабильности холодного облака и продление времени наблюдения, что позволит проводить более чувствительные измерения. По мере взросления космических квантовых экспериментов вопрос смещается от того, можно ли достичь таких экстремальных температур, к тому, что можно с ними сделать, когда они станут рутиной.