Помогут ли сверхтекучие вещества понять устройство Вселенной?

Помогут ли сверхтекучие вещества понять устройство Вселенной?

Представьте себе следующую картину – вы завариваете чай, размешиваете его, и отходите на пять минут по своим делам. Вернувшись, вы видите, что жидкость продолжает вращаться в чашке. Вы берёте этот предмет посуды, поднимаете его, и чай начинает просачиваться сквозь его дно. Мало того, жидкость сама по себе поднимается и переливается через края. Думаете, это невозможно? Но если бы в чашке был гелий, охлажденный до -270°C, всё именно так бы и выглядело. Так как при этой температуре он превращается в сверхтекучее вещество, изучающееся особым разделом физики. Учёные, работающие в этой области, как теоретики, так и практики, получили несколько Нобелевских премий, что весьма ярко демонстрирует то значение, которое придаётся ей современной наукой. И, возможно, эти вещества могут открыть перед человечеством саму природу пространства-времени.

Чтобы понять, что происходит внутри сверхтекучих веществ, надо знать, как ведут себя элементарные частицы. Квантовая механика лишила атомы и молекулы количества энергии – в традиционном его понимании. Взамен она наделила их дискретностью. Другими словами, атом или молекула способны переходить с одного энергетического уровня на другой, но не могут находиться между ними. Это относится ко всем элементарным частицам, но в повседневной жизни мы этого заметить не можем. Случайно движущихся частиц невероятно много, и обычные их свойства перевешивают квантовые. Но если их очень сильно охладить, всё кардинальным образом меняется, особенно в случае с гелием.

Помогут ли сверхтекучие вещества понять устройство Вселенной?
Аномальное течение гелия-II
Design: Aarchiba; SVG rendering: Júlio Reis [CC BY-SA 3.0]
Источник: https://wikimedia.org

При сверхнизких температурах большинство веществ превращается в лёд, ничем не примечательный, откровенно скучный. Гелий же уникален тем, что он, по большому счёту, не может оказаться в этом агрегатном состоянии. При атмосферном давлении он остается жидкостью практически до абсолютного нуля (-273,15°C). Однако необычные свойства у него проявляются чуть раньше. Охладившись до -270°, жидкий гелий, как кажется, забывает о том, как должна вести себя обычная материя. Это происходит по той причине, что его атомы по мере остывания перескакивают во все более низкие энергетические состояния. Чем ниже температура, тем больше их там оказывается. И тут начинается самое интересное. Так как, согласно законам квантовой механики, нахождение атомов на одном энергетическом уровне означает, что они начинают вести себя в унисон. 

Они становятся математически неразличимыми, и все ведут себя одинаково. Они не сталкиваются друг с другом и не движутся в разных направлениях, как в обычной жидкости. Они превращаются в то самое сверхтекучее вещество. Между его атомами нет трения. Если его перемешать, оно будет вращаться практически бесконечно. Это вещество может “проскользнуть” сквозь что угодно – себя, стенки любого сосуда, микроскопические трещины на дне той самой чашки, которую мы упоминали в самом начале. И если вам не удастся найти идеально плотную крышку для неё, то оно будет переливаться и через края. Любая жидкость стремится подняться по стенкам того контейнера, в котором находится, но обычно трения между ней и его стенками достаточно, чтобы предотвратить переливание. В случае со сверхтекучими веществами это недостижимо – они будут выталкиваться. Это может произойти с септиллионами атомов в лабораторной мензурке. Немного неаккуратное явление на взгляд хорошей домохозяйки, но поразительное с точки зрения человека, интересующегося наукой – так как оно имеет чисто квантовую природу и может быть увидено собственными глазами. Невооружённым, так сказать, взглядом.

Тут нужно уточнить, что всё это возможно не со всяким гелием. Это должен быть гелий-4, у которого два протона, два электрона и два нейтрона. Данная конфигурация позволяет атому вести себя подобно бозону – частице, славящейся своей способностью занимать тот же энергетический уровень, что и ее соседи. Только такие атомы могут вместе перескочить в низкоэнергетическое состояние и стать сверхтекучими. С гелием-3, у которого на один нейтрон меньше, всё гораздо сложнее. У него не достаёт одного нейтрона, и это в высшей степени затрудняет синхронный перескок в требующееся состояние. Тем не менее, теоретически его атомы могут “объединяться” в так называемые “пары Купера”, получая способность вести себя как бозон, то есть конденсироваться подобно гелию-4. Это значит, что от них тоже можно добиться сверхтекучести.

Однако, чтобы сделать это с гелием-3, его нужно охладить ниже 3 милликельвинов, то есть до температуры всего на три тысячных градуса выше абсолютного нуля. Для сравнения – гелий-4 “преобразуется” уже при 2.1 градусов по Кельвину. Что, наверное, теплее, но всё равно ниже, чем в глубоком космосе. Осложняет работу с гелием-3 ещё и то, что это всего 0.0001% от имеющегося на нашей планете гелия. Большая его часть, попадающая в руки учёных, это результат работы ядерных реакторов. Так что если вам удастся сделать сверхтекучее вещество из него, вы гарантированно получите пару Нобелевских премий.

Несмотря на свои странности и удивительные свойства, сверхтекучие вещества – это больше, чем причуда квантовой физики. Согласно некоторым исследованиям, из них могут состоять ядра нейтронных звезд. Сверхтекучесть также тесно связана с другими интереснейшими квантовыми явлениями, вроде сверхпроводимости, когда электричество передаётся по проводам, не испытывая никакого сопротивления. Получив нечто такое, мы могли бы создать батарейки, которые не садятся, сверхбыстрые квантовые компьютеры, множество других полезных вещей.

Помогут ли сверхтекучие вещества понять устройство Вселенной?
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. В поле элементарных частиц слева — фермионы, справа — бозоны (изображение интерактивно на сайте Википедия)
Источник фото: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b0/Particle_overview-ru.svg/960px-Particle_overview-ru.svg.png

Существует также и гипотеза о том, что пространственно-временной континуум может быть сверхтекучим веществом. Развитие этой идеи, возможно, позволит приблизиться к пониманию “теории всего”, объясняющей как макро-, так и микровселенную. Это маловероятная и, в любом случае, отдалённая перспектива, но она показывает, насколько замечательна физика. Иногда, решая какие-то уравнения на доске или проводя эксперименты с теми или иными веществами в маленькой лаборатории, можно приблизиться к открытиям, которые изменят мир.

Пространство и время. Что это такое?
Text.ru - 100.00%

Поделиться ссылкой:

А Вы смотрели:  Как умирают красные карлики?
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector