Сжалось и протекло

Во Вселенной существуют виды материи со свойствами, удивляющими даже физиков. Причем эти аномальные материи удается получить в лаборатории и исследовать. «Лента.ру» выясняет, не угрожает ли это человечеству, и рассказывает о самовыливающейся жидкости, гигантских частицах, оптических черных дырах и атомах размером со звезду.

Все частицы можно разделить на две большие группы — бозоны и фермионы. При слове «бозон» на ум в первую очередь приходит пресловутый бозон Хиггса, который нашли на Большом адронном коллайдере. На самом деле бозоны — целый класс различных частиц (включая некоторые атомы). К ним относятся фотоны и глюоны, которые «склеивают» кварки в протоны и нейтроны. Самое главное свойство бозонов — две частицы могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (быть точными копиями друг друга), сливаясь в одну «сверхчастицу». Именно поэтому они формируют поля и выступают переносчиками взаимодействий (электромагнитных или ядерных).

Фермионы, к которым относятся, например, электроны, протоны, нейтроны, а также кварки, на это неспособны. Действует принцип запрета, сформулированный в 1925 году физиком Вольфгангом Паули: два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Этот принцип охраняет нашу Вселенную от полного разрушения, поскольку именно благодаря ему возможны атомы с их орбиталями. Электроны заполняют орбитали (электронные оболочки), и на каждой не бывает двух частиц с одинаковыми квантовыми состояниями. Поэтому фермионы — это «строительные кирпичики» материи.

Представим жидкость, которая, если налить ее в стакан, начинает просачиваться через микроскопические трещины в стенках и подниматься по ним, словно игнорируя гравитацию. Допустим, мы найдем чашку, способную удержать это странное вещество. Тогда, раскрутив в ней жидкость, мы можем спокойно уйти на миллион лет, а вернувшись, обнаружим ее вращающейся в чашке с той же скоростью. Конечно, речь идет не о напитке, а о сверхтекучем гелии-4. Его необычные свойства связаны с тем, что при очень низкой температуре на него перестают действовать силы трения.

Сверхтекучесть была обнаружена в 1937 году советским физиком и нобелевским лауреатом Петром Капицей. Ученый охладил атомы гелия-4 до нескольких градусов выше абсолютного нуля (абсолютный нуль равен 0 кельвин или минус 273 градуса Цельсия) и наблюдал, как вещество с легкостью перетекло из одного стеклянного контейнера в другой через тонкую трубочку диаметром в 0,5 микрометра.

Чтобы создать сверхтекучее вещество, ученые берут множество атомов гелия-4 и охлаждают их. Атомные частицы — бозоны —
переходят в одно и то же минимально возможное квантовое состояние, словно сливаясь в одну гигантскую каплю. В этом виде они лишены внутренней тепловой энергии, продолжая «дрожать» лишь из-за квантовых флуктуаций. Эти остаточные колебания препятствуют переходу гелия в твердый кристалл, однако их недостаточно для рассеивания через силу трения кинетической энергии потока жидкости. Таким образом, квантовые эффекты, которые обычно происходят на субатомном уровне, становятся заметными даже невооруженному глазу. Мы видим, как с понижением температуры гелий-4 превращается в жидкость, почти полностью лишенную вязкости.

Свойство бозонов находиться в одном и том же состоянии помогает создать не только квантовую жидкость, но и так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. Он представляет собой одно из агрегатных состояний вещества, наряду с твердыми телами, жидкостью, газом и плазмой. Впервые был получен в 1995 году в Объединенном институте лабораторной астрофизики лауреатами Нобелевской премии Эриком Корнеллом и Карлом Виманом. Ученые охладили пойманный в специальное устройство газ, состоящий из атомов рубидия-87, до температуры в 170 нанокельвин (один нанокельвин — миллиардная часть кельвина).

Согласно гипотезе французского физика Луи де Бройля, каждая частица, включая атомы, имеет волновую природу. Иными словами, ей соответствует некая волна (волна де Бройля), гребни которой показывают, где эта частица находится с наибольшей вероятностью. Чем больше масса частицы и чем быстрее она движется, тем короче эта вероятностная волна, поэтому в привычном для людей масштабе волновые свойства материи почти не проявляются. Однако стоит «заморозить» бозоны, как связанные с ними волны де Бройля объединяются в одну большую длинную волну. В результате мы получаем квантовый газ, который можно представить, как один гигантский атом.

Интересное свойство бозе-конденсата — его способность вмещать сколь угодно много частиц в ограниченном участке пространства. Чем больше в конденсате атомов, тем сильнее он притягивает другие атомы. Значит, если поместить в него достаточное количество бозонов, можно получить полноценную черную дыру, втягивающую в себя все, что поблизости. К счастью, это возможно лишь теоретически. Этот опасный объект не получить в лаборатории, поскольку он должен быть массой, в несколько десятков раз превышающей массу Фобоса, спутника Марса.

Тем не менее ученые с помощью бозе-конденсата создают аналоги черных дыр. Дело в том, что в этом веществе скорость света можно уменьшить до считаных метров в секунду. Если при этом в конденсате создать вихрь, чтобы вещество двигалось со скоростью, превышающей «местную» скорость света, то возникнет оптическая черная дыра. Она выглядит как область, чье вращение увлекает за собой свет, не позволяя ему выбраться из нее. Однако такой объект — лишь отдаленная аналогия настоящей черной дыры и Земле он ничем не угрожает.

В глубине газовых гигантов вроде Юпитера чудовищное давление (порядка сотен тысяч земных атмосфер) порождает еще одно странное вещество — металлический водород. Он удивителен своей способностью к высокотемпературной сверхпроводимости.

Сверхпроводимость, как и сверхтекучесть, — явление квантовое и возникает, как правило, при понижении температуры до сверхнизких значений. Электроны в сверхпроводнике не встречают на своем пути никакого сопротивления, и электрическая энергия не теряется в виде тепла. Однако электроны — это фермионы, а не бозоны, следовательно, они не могут принимать одно и то же квантовое состояние. Теория, предложенная физиками Бардиным, Купером и Шриффером (БКШ-теория), объясняет сверхпроводимость тем, что электроны, объединяясь в пары, ведут себя именно как бозоны.

Впрочем, БКШ-теория не объясняет высокотемпературную проводимость, возникающую при температуре выше 30 кельвинов. Металлический водород — сверхпроводящая жидкость при комнатной температуре. Правда, его очень сложно получить в лаборатории. Его даже назвали «святым Граалем» физики высоких давлений.

Обычные звезды большей частью состоят из фермионов. От немедленного гравитационного коллапса их предохраняет принцип Паули, запрещающий частицам находиться в одном и том же состоянии. Возникает вопрос: а возможна ли бозонная звезда? На первый взгляд, такая звезда должна быть в принципе нестабильной. Более того, поскольку бозоны отвечают за взаимодействия, бозонная звезда, грубо говоря, представляет собой своего рода волну, удерживаемую в ограниченной области пространства гравитацией.

Теоретически бозонные звезды все же возможны, если они состоят из особого типа стабильных бозонов. По мнению некоторых ученых, этот космический объект — гигантский конденсат Бозе-Эйнштейна. Внешне бозонная звезда должна быть компактной, напоминая белый карлик или нейтронную звезду.

Бозонную звезду можно также рассматривать как гигантский атом. Частицы, составляющие тело звезды, способны образовывать конфигурации, напоминающие электронные орбитали. Как и обычные атомы, бозонные звезды могут переходить в возбужденное состояние и обратно, в основное, испуская спонтанное излучение. Только в данном случае излучаются не фотоны, а гравитоны и бозоны, из которых такая звезда должна состоять.

Александр Еникеев