Izraēlas zinātnieki Bozes-Einšteina kondensātā radījuši skaņas melno caurumu

Detaļas: Publicēts 18 Augusts 2009

Izraēlas zinātniekiem no Haifas Tehnoloģiskā institūta pirmo reizi izdevies rubīdija atomu Bozes-Einšteina kondensātā radīt gravitācijas melnā cauruma analogu - akustisko melno caurumu. Šim caurumam, tāpat kā īstajam melnajam caurumam, pastāv notikumu horizonts, kura robežās skaņas svārstības nevar to pamest. Pēc zinātnieku domām, radot skaņas svārstības tāda objekta notikumu horizonta tuvumā, varēs reģistrēt skaņas izstarojumu ar savu siltuma spektru, analoģisku gravitācijas melnā cauruma Hokinga starojumam. Ja zinātniekiem nākotnē izdosies eksperimentāli fiksēt šādu akustisko starojumu no kondensāta, tad tas būs netiešs pierādījums par Hokinga starojuma esamības realitāti.

Kas ir Bozes-Einšteina kondensāts (BEK)?

Bozes-Einšteina kondensācijas parādība rodas, kad bozonu (daļiņu ar veselu spina vērtību) de Broila viļņu garums (Planka konstantes attiecība pret daļiņas impulsu) un raksturīgais attālums (характерное расстояние) starp tiem kļūst apmēram vienādi. To var sasniegt noteiktā, par kritisko sauktā temperatūrā, kas ir atkarīga no gāzes koncentrācijas un to veidojošo atomu masas. Sasniedzot kritisko temperatūru, bozoni strauji "krītas" jeb, kā vēl mēdz teikt, kondensējas stāvoklī ar pašu zemāko enerģijas vērtību, ko pieļauj kvantu mehānika (sk. informatīvu, Kolorado universitātē izstrādātu pielikumu "Bose-Einstein condensation"), turklāt atomārās gāzes kondensācijas kritiskā temperatūra ir ļoti tuva absolūtajai nullei. Piemēram, Ērika Kornela un Karla Vimana 1995. gada eksperimentā (par šiem pētījumiem 2001. gadā zinātnieki saņēma Nobela prēmija), kad pirmo reizi tika iegūts Bozes-Einšteina kondensāts no rubīdija87Rb atomiem, temperatūra bija apmēram 170 nanokelvinu (nК).

BEK kā mini-laboratorija astrofizisko parādību izpētei uz Zemes

Starp daudzveidīgajiem eksperimentālajiem un teorētiskajiem darbiem, kas sekoja Bozes-Einšteina kondensācijai, ir vērts pieminēt vairākas publikācijas, kurās tikai apgalvots, ka pateicoties savām neparastajām īpašībām BEK var izrādīties lielisks laboratorijas modelis tādu aktuālu un līdz šim neskaidru astrofizikas parādību izpētei kā supernovu uzliesmojumi vai melno caurumu iztvaikošana.

Protams, ka te runa nav par precīzas melnā cauruma vai supernovas uzliesmojuma kopijas radīšanas mikromērogā ar BEK palīdzību, bet gan tikai par paralēlēm starp šīm divām parādībām. Svarīgi ir tas, kas no matemātiskā viedokļa šo abu parādību aprakstīšanas pieejas izrādās ļoti līdzīgas. Bet, ja reiz teorija ir gandrīz tāda pati, tad arī eksperimentālajiem datiem jābūt diezgan līdzīgiem. Un to, ko astronomi cenšas ieraudzīt kosmosa dzīlēs - melnā cauruma starojumu, supernovas uzliesmojumu - var aplūkot uz Zemes ar BEK palīdzību.

Piemēram, 2001. gadā žurnālā Nature bija publicēts amerikāņu zinātnieku raksts "Dynamics of collapsing and exploding Bose-Einstein condensates" par saspiešanu un tai sekojošo 85Rb atomu BEK sprādzienu (skatīt arī rakstu Коллапс и взрыв бозе-эйнштейновского конденсата). Vēlāk šī parādību ieguva nosaukumu Bozes nova - pēc vizuālās analoģijas ar supernovām. Bet pagājušajā gadā tīmekļa e-publikāciju vietnē arXiv.org parādījās interesants CERN zinātnieku raksts "There is no explosion risk associated with superfluid Helium in the LHC cooling system", kas atspēkoja apgalvojumus par iespējamo Bozes novas "sprādzienu" supraplūstošajā hēlijā, ko izmanto Lielā hadronu paātrinātāja kriogēnajā sistēmā.

Kā gan tiek izmantota analoģija starp melnajiem caurumiem kosmosā un melnajiem caurumiem BEK? Kā zināms, melnais caurums ir telpas apgabals ar tik spēcīgu gravitāciju, ka tā robežas nespēj pamest pat gaisma. Tā ir "izolēta" no pārējās telpas ar iedomātu robežu, ko sauc par notikumu horizontu. Tas, kas atrodas notikumu horizonta iekšienē, caurumu pamest vairs nevar. 70. gados Houkings parādīja, ka priekšstati par melnajiem caurumiem kā par objektiem, kas tikai aprij un neko neizlaiž, nav pavisam precīzi. Tādi astronomiskie objekti var izstarot, un šis izstarojums noved pie to iztvaikošanas, tas ir, masas samazināšanās. Parādības mehānisms ir šāds: pie melnā cauruma notikumu horizonta vakuuma fluktuācijas rada daļiņu pāri - vienu ar negatīvu, otru ar pozitīvu enerģiju (piemēram, divus fotonus), - kas spēcīgās gravitācijas dēļ nepaspēj anihilēties. Daļiņa ar negatīvo enerģiju var izrādīties nedaudz zemāk par notikumu horizontu, tā nokļūstot melnajā caurumā, bet daļiņa ar pozitīvo enerģiju, kas atrodas ārpus notikumu horizonta, var aizlidot prom.

Aprijot antidaļiņu ar negatīvo enerģiju, melnais caurums samazina savu enerģiju, attiecīgi, arī masu. Iznāk, ka melnais caurums iztvaiko, bet aizlidojušās daļiņas par to nes informāciju Hokinga vārdā nosauktā starojuma veidā. Teorija apgalvo, ka šim starojumam var izmērīt temperatūru, tātad, arī reģistrēt to. Taču tālākie aprēķini liecināja, ka Hokinga starojuma enerģija ir mazāka - bet dažiem ļoti masīviem melnajiem caurumiem daudz mazāka - par Visuma reliktā fona starojuma temperatūru, kas ir apmēram 2,7 K, tāpēc "ieraudzīt" Hokinga starojumu ir ļoti sarežģīti (ja tas, protams, pastāv).

Radīt melnā cauruma kolosālo gravitāciju "mājas" jeb Zemes apstākļos nav iespējams, tāpēc zinātnieki vēršas pie BEK kā pie melnā cauruma laboratorijas modeļa, cenšoties atklāt kondensātā starojumu, kura veidošanās mehānisms būtu līdzīgs Hokinga starojuma rašanās procesam. Kā Hokinga starojuma modeli fizikas teorētiķi piedāvāja izmantot akustisko starojumu, kuru var radīt BEK.

Galvenā ideja ir šāda: kondensāts ir viela, kurā, kā jebkurā citā materiālā, skaņas izplatīšanās notiek ar noteiktu ātrumu. Pieņemsim, ka kāds BEK apgabals uzņem ātrumu un sāk kustēties ar ātrumu, kas pārsniedz skaņas ātrumu šajā vidē, vienlaikus pārējai daļai turpinot kustēties lēnāk par skaņu. Apgabals, kas plūst ar virsskaņas ātrumu, šobrīd nosacīti nosauksim par melno caurumu, bet pārejas robežu, kurā kondensāta kustības ātrums ir precīzi vienlīdzīgs skaņas ātrumam (notiek pāreja no ātruma, kas mazāks par skaņu, uz virsskaņas ātrumu), tikpat nosacīti uzskatīsim par notikumu horizontu. Šajā notikumu horizontā rodas fononu - skaņas svārstību kvantu - rašanās, un tie, protams, kustās ar BEK skaņas ātrumu. Viena fonona impulss var būt vērsts pretēji kondensāta kustībai, tāpēc tas tiks sagūstīts un nespēs no tā vairs izrauties, jo fonona kustības ātrums ir mazāks par kondensāta kustības ātrumu. Otrs fonons, atbilstoši impulsa saglabāšanās likumam, kustās pretējā virzienā, aizbēgot no kondensāta. Šis aizbēgušais fonons gala rezultātā veido fonono jeb akustisko starojumu, kam arī ir noteikts siltuma spektrs jeb temperatūra.

Analoģija ar īsto melno caurumu ir acīmredzama: BEK apgabals, kas kustās ar virsskaņas ātrumu un nelaiž fononus vaļā, atbilst gravitācijas melnajam caurumam, kas sagūsta fotonus; fononi, kas rodas BEK apgabalā, kur tā plūsmas ātrums ir vienlīdzīgs skaņas ātrumam tajā, - tie ir fotoni, kas veidojas uz īstā melnā cauruma horizontā. Tādā veidā, kondensātā var veidoties, ja arī ne īsts melnais caurums, tad vismaz tās skaņas analogs - akustiskais melnais caurums, kas sava notikumu horizonta robežās sagūsta skaņu (fononus).

Akustiskā melnā cauruma eksperimentālā realizācija BEK

Izraēlas zinātnieki no Haifas Tehnoloģiskā institūta veica pirmo soli uz aprakstīto akustisko melno caurumu praktisko realizāciju BEK. Raksts "A sonic black hole in a density-inverted Bose-Einstein condensate" ir pieejams vietnē arXiv.org. Galvenās grūtības, kuras veiksmīgi pārvarēja Izraēlas zinātnieki, bija tādas, ka vajadzēja ne tikai palielināt rubīdija atomu kondensāta ātrumu, līdz tas pārsniedz šīs vides skaņas ātrumu, bet arī padarīt tā plūsmu nedisipatīvu (bez berzes), bet kustības ātrumu - neviendabīgu.

Visu to Izraēlas zinātniekiem izdevās paveikt, izmantojot mehānismu, ko viņi nosauca par blīvuma inversiju. Laikā vāji mainīgā magnētiskajā laukā (magnētiskajās lamatās) tiek ģenerēta kondensāta plūsma no 100 tūkstošiem 87Rb atomiem. Magnētiskajās lamatās ar lāzera palīdzību tiek radīta dziļa enerģētiskā bedre (1. zīm.). Daļa kondensāta, kas sākumā kustās ar ātrumu, kas mazāks par skaņas ātrumu, it kā iekrīt šajā bedrē un sasniedz virsskaņas ātrumu. Kondensāta apgabals, kurā tā kustības ātrums ir vienāds ar skaņas ātrumu tajā, - iedomājamais notikumu horizonts. Tā kā kondensāts neatrodas zemākajā stāvoklī, kas šeit atbilst enerģētiskās bedres dibenam, tad kvantu mehānikas likumu rezultātā tas nevar palikt "dzīvot" tās dibenā. BEK tiek "izgrūsts" no tās un turpina plūsmu ar ātrumu, kas tam bija pirms iekļūšanas bedrē.

Bet tagad pāriesim pie rezultātiem, kurus ieguva pētījuma autori.

2. zīmējumā attēloti BEK koncentrācijas (jeb blīvuma) sadalījuma grafiki, tam plūstot cauri enerģētiskajai bedrei dažādos laika brīžos. Laiks tiek mērīts kopš brīža, kad atomu koncentrācija atbilda tumši zilajai līknei. Koordinātu sākumpunkts šeit atbilst enerģētiskās bedres minimumam (dibenam). Kondensāts kustās negatīvajā x ass virzienā. Kā jau gaidīja, nulles koordinātu apkārtnē (enerģētiskās bedres dibens) novērojams kondensāta blīvuma minimums.

Katra kondensāta apgabala kustības ātrums dažādos laika brīžos ir parādīts zīmējumā 2b. BEK plūsmas ātruma maksimums atrodas enerģētiskās bedres dibenā (koordināta x = 0). Melnā līkne ir skaņas ātrums plūstošajā BEK. Tas ir mainīgs, jo skaņas ātrums ir atkarīgs no vielas blīvuma, bet koncentrācija, kā mēs jau redzējām no grafikiem zīmējumā 2a, nav pastāvīgs lielums. Melnās līknes krustpunkti ar pārējām līknēm (kas attēloti ar melniem aplīšiem) ir melnā cauruma notikumu horizonti. Šajā brīdī un šajā vietā kondensāta plūsmas ātrums ir vienāds ar skaņas ātrumu tajā. No eksperimentālā viedokļa šajā kondensāta vietā un šajā laika brīdī vajag ierosināt fononu pāri, lai reģistrētu Hokinga starojumam analoģisku akustisko starojumu.

Diemžēl Izraēlas zinātnieki nenodarbojās ar fononu ierosināšanu akustiskā melnā cauruma notikumu horizonta tuvumā, un tādēļ, dabīgi, nekādu akustisko starojumu kondensātā nenovēroja. Viņi tikai aprēķināja gaidāmo fononu starojuma enerģiju dažādos BEK kustības momentos. Izrādījās, ka starojuma temperatūrai jāatrodas 0,2-0,3 nК apgabalā (zīmējums 2c). Principā šobrīd tik zemas temperatūras ir tehniski sasniedzamas, taču iegūt tās ir ļoti sarežģīti. 2000. gadā somu zinātnieki, kas nodarbojās ar magnētisma un supravadītspējas pētniecību rodijā, izdevās sasniegt 0,1 nK temperatūru, patērējot tam 20 pētījumu gadus (sk. Helsinku Tehnoloģiskās universitātes zemo temperatūru laboratorijas preses relīzi). Šobrīd tā ir pati zemākā temperatūra, kas sasniegta uz Zemes.

Pēc autoru domām, skaņas ātruma BEK un tā kustības ātruma palielināšana ļaus atbilstoši palielināt arī Houkinga fononu starojuma temperatūru, to pārvietojot 2-7 nK diapazonā, kas būtiski atvieglos eksperimentētāju uzdevumu šīs parādībās atklāšanā.

Jurijs Jerins

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Avots: O. Lahav, A. Itah, A. Blumkin, C. Gordon, J. Steinhauer. A sonic black hole in a density-inverted Bose-Einstein condensate // arXiv:0906.1337 (7 Jun 2009).

Raksts pārpublicēts no elementy.ru