Конденсат бозе эйнштейна что это такое
Конденсат бозе эйнштейна что это такое
Американские ученые из Калифорнийского технологического института в Пасадене создали установку, с помощью которой на борту Международной космической станции получили пятое состояние вещества — конденсат Бозе — Эйнштейна. Результаты эксперимента описаны в журнале Nature.
Конденсат Бозе — Эйнштейна (КБЭ) — агрегатное состояние вещества, которое было теоретически предсказано из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работ Шатьендраната Бозе в 1925 году. Оно образуется, когда газ бозонов — атомов, имеющих четное общее число протонов и нейтронов — охлаждается до температуры, близкой к абсолютному нулю, при которой атомы почти не двигаются.
В 1995 году первый КБЭ на основе газа атомов рубидия получили в лаборатории. Однако изучению свойств этого состояния вещества на Земле мешает гравитация. Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые создали на МКС Лабораторию холодного атома, первые результаты работы которой описаны в статье.
Использование космической микрогравитационной среды позволило авторам исследовать физику этой экзотической формы вещества, занимающей промежуточное положение между квантовым и материальным миром. При сверхнизкой температуре в состоянии вечного свободного падения бозоны становятся материей, обладающей квантовыми свойствами.
Центральным принципом квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому каждая частица может быть описана как волна материи. В ультрахолодных газовых комплексах атомы заполняют самое низкое энергетическое состояние, и их облако можно рассматривать как единую материальную волну. Именно это свойство бозонов, которое называется квантовым вырождением, и изучали авторы в эксперименте на орбите.
Состояние конденсата Бозе — Эйнштейна на Земле и в космосе
Конденсация Бозе — Эйнштейна достигается охлаждением атомного облака с помощью магнитного испарения — комбинации светового и магнитного полей. При таком подходе атомы заключаются в магнитную ловушку, а те из них, которые обладают наибольшей кинетической энергией — самые «горячие» — выбиваются из ловушки радиочастотным излучением. Остальные атомы сталкиваются друг с другом и достигают теплового равновесия при более низкой температуре. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не образуется КБЭ.
Оказалось, что свойства конденсатов Бозе — Эйнштейна в условиях космической микрогравитации существенно отличаются от их свойств на Земле. Например, время свободного расширения, когда атомы колеблются после отключения магнитных ловушек, в космосе составляет около секунды, в отличие от миллисекунд на Земле.
Это очень важно для изучения КБЭ. Освобождение от магнитного поля приводит к тому, что облако атомов под действием отталкивающих сил начинает расширяться, и через некоторое время концентрация его становится слишком низкой, чтобы можно было измерить параметры конденсата. Поэтому, чем дольше время наблюдения, тем выше точность.
Скорость расширения может быть снижена за счет уменьшения глубины ловушки и плотности атомов в ней. На Земле из-за гравитационного притяжения, чтобы удержать КБЭ, требуются глубокие ловушки. На МКС, при чрезвычайно слабой гравитации, как показали результаты эксперимента, достаточно мелких ловушек.
Кроме того, в условиях микрогравитации для захвата атомов требуются меньшие силы, а значит экзотические квантовые эффекты становятся заметными при менее экстремальных температурах.
Ученые надеются, что созданная ими установка — атомный интерферометр на околоземной орбите — откроет новые возможности для исследования квантовых газов, а также других экспериментов по изучению свободного падения, а возможно, и темной энергии.
Второй шаг к портальной пушке. Классическая телепортация
Всем привет, сегодняшний пост, называется «классическая телепортация» по двум причинам:
1. Просто потому, что именно такое название предложил Астон Брэдли из Центра квантовой атомной оптики в Брисбене, который является одним из основоположников этого метода телепортации.
И если вы думаете что это до сих пор возможно только в фантастических произведениях, то у меня для вас новости. Но обо всём по порядку. Как обычно разбор будет детальный. Так же напомню что это вторая часть про телепортацию, если пропустил первую, так же рекомендую к прочтению.
Для того чтобы понять как работает классическая телепортация нам понадобятся некоторые знания о явлении которое было открыто относительно недавно. Хотя Эйнштейн теоретически и предсказывал его почти сто лет назад в 1925-ом. И явление это поистине удивляет, ведь это пятое агрегатное состояние вещества.
Да, я не сбился со счета, именно пятое. Хотя всё мы знаем только три с половиной состояния, оказывается, что их как минимум 5. Мы знаем о твёрдом, жидком, газообразном состоянии и пожалуй каждый хоть что-то слышал про плазму. Давайте по порядку, а чтобы было в сто раз понятней, будем проводить аналогию будем с пачкой пельменей.
Представим целлофановую упаковку, заполненную воздухом, в которой только три замороженных пельмешка. Каждый пельмешек относительно свободен и волен двигаться куда ему вздумается, если упаковку потрясти. Он редко встречается с другими пельмешками, чаще со стенками упаковки, а если и встретиться с другим, то они при столкновении отскочат друг от друга, и полетят дальше по своим делам. Это пачка будет соответствовать газу, каждый пельмешек, который символизирует атом или молекулу, относительно свободен и другие пельмешки на него мало влияют.
В последующих примерах пельмешек всё так же будет символизировать атом, где ядро это начинка, а тесто – это орбиталь на которой вращается электрон.
Дальше у нас всё та же пачка, но уже заполненная замороженными пельменями целиком. Пельмешки теперь мешаются друг другу, и сталкиваются между собой гораздо чаще, чем со стенками упаковки. Вы без проблем можете засунуть руку внутрь упаковки и потрогать любую стенку изнутри, при этом пельмешки будут словно обволакивать вашу руку, а некоторые выспятся из пачки, ибо место в пачке заняла ваша рука. Вы уже догадались что это аналогия с жидкостью. Атомы в ней гораздо более близки друг к другу нежели в газе, они часто взаимодействуют, но не особо связаны друг с другом.
Далее представим, что мы вытащили пачку пельменей на несколько часов из морозилки, они подтаяли, а мы вновь засунули упаковку в морозилку. Теперь мы имеем ту же самую упаковку, но все пельмени в ней слиплись и замерзли. Мы можем разглядеть, или отковырять один пельмешек, он не потерял своей структуры, всё так же снаружи тесто, а внутри мясо, но теперь пельмени связаны между собой довольно сильно. Конечно, руку в такую упаковку вы уже не засунете. А пельмешки вообще не могут путешествовать и надёжно скреплены друг с другом. Это и есть аналогия с третьим агрегатным состоянием – состоянием твёрдого тела.
Всё это вы и так знаете и на подсознательном уровне понимаете, а теперь давайте перейдём к тому с чем мы в реальной жизни не сталкиваемся. 4-е агрегатное состояние вещества плазма.
Наши пельмени мы закидываем теперь в кипящее масло, нагретое до невероятно высоких температур. Настолько горячее, что тесто попросту превратилось в искорёженные ошмётки, а кусочки мяса в угольки. Вся жидкость которая была в пельменях испарилась и улетела в виде пара, а объём каждого пельмешка значительно уменьшился. Это значит что в кастрюлю с водой куда бы поместилась только одна упаковка пельменей, в кастрюлю с кипящим маслом, из-за того что объём уменьшился, может поместиться больше пельменей. И мы закидываем ещё одну пачку в наше кипящее супер-масло. И снова пельмени превращаются в труху из теста и угольки из мяса. А затем ещё одну пачку, и ещё, и ещё… ещё.. ещё ещё ещё ещё ещё. И вот когда кастрюля под завязку оказалась наполненной угольками из начинки пельменей и трухи теста, мы остановились, и оказалось что мы смогли уместить полторы тысячи пачек пельменей туда, куда при обычных условиях влезала лишь одна. Это состояние когда структура атома, по каким либо причинам, разорвана в клочья, из-за чего атомы теряют свой изначальный объём и разваливаются отдельно на ядра и электроны, и называется плазмой. Для плазмы характерны невероятно высокие плотности, даже плазма состоящая из легчайшего водорода весит 150 кг/литр. Это в шесть с половиной раз тяжелее самого тяжёлого вещества на нашей планете. И это для плазмы для легчайшего во вселенной водорода. Как вам полторашка весом в 225 кг?
Плазму видели конечно все, это молния например, или свечение издаваемое плазменными панелями, а вот пятое агрегатное состояние вообще никогда не встречается во вселенной и возможно лишь в самых технически-оснащённых лабораториях на планете. Речь идёт о конденсате Бозе-Эйнштейна. Далее КБЭ (оговорочка, в одном из прошлых постов я упоминал Игоря Ткачёва, который выдвинули теорию экзотической материи. Так вот, если теория верна, то КБЭ может образоваться и в естественных условиях).
Для того чтобы провести аналогию КБЭ и пельменей, представьте что мы достали те самые ошмётки из кастрюли с плазмой уплотнённые в 1500 тысячи раз и сразу их заморозили. Да не то бы вот просто в морозилку положили. А заморозили так, как не может заморозить ни один холод космоса. До температуры, которая всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Как я говорил в посте о теории большого взрыва, вселенную заполняет реликтовое излучение температурой в 3 градуса кельвина, т.е. это минимальная естественная температура во вселенной, а если мы хотим получить КБЭ, нам стоит охладить пельмешки до температуры в миллионы раз ниже, чем самая низкая температура во вселенной. Ок сделано, что дальше. А вот собственно дальше и начинается магия.
Представьте себе наш мега пельмень, слипшийся и охлаждённый до невероятно низкой температуры. В этом пельмене не понятно где тут тесто, а где начинка, да и вообще этот пельмень ведёт себя в точности как самостоятельный отдельный атом, ибо все его составляющие пельмешки когерентны между собой. Они слились в едином порыве в один мега пельмень и их волновые функции колеблются отныне в унисон. И… и я не могу провести аналогию между волновой функцией и пельменем. Но дело в том, что этот мега-пельмень теперь ведёт себя так, словно он атом, и проявляет свойства характерные атомам даже в нашем макромире. Ранее считалось, что проявление квантовых свойств вообще невозможно в макромире, а вот на тебе, придумали конденсат Бозе-Эйнштейна, за что в 2001 году Эрик Корнелл, Карл Вимен и Вольфганг Кеттерле и получили нобелевку.
Но вернёмся к нашему мега-пельменю. Он настолько постиг дзен, что возвращает в это нирваничечское состояние любые пельмешки, которые мы начнём в него кидать. Если мы швырнём обычным пельменем в пельменя-праотца, то мега-пельмень примет в свои объятия кинутого и сольётся в ним воедино, а вся энергия которой обладал кинутый пельмешек вырвется наружу в виде потока света. Любые объекты обладающие значительно меньшей массой чем конденсат Бозе-Эйнштейна, при взаимодействии сольются с ним, и все электроны этих объектов спустятся на свой самый низкий энергетический уровень, сливаясь в унисон с конденсатом Бозе-Эйнштейна. При переходе электрона на более низкий энергетический уровень последний испускает фотон, т.е. свет. Вот в этом свете и содержится полностью вся информация о том объекте который мы кинули в конденсат.
На этом месте совершенно не трудно догадаться как работает классическая телепортация. Мы подготавливаем КБЭ, и кидаем в него объект телепортации, который ври взаимодействии с КБЭ превращаются в поток света, этот свет мы улавливаем и передаём по оптоволокну в другую камеру, где у нас тоже есть конденсат, но меньший по массе. Затем мы освещаем конденсат светом содержащим всю информацию о телепортируемом объекте, и он волшебным образом превращается в изначальный объект.
Ещё раз с пельменной аналогией. Есть гигантский пельмень-праотец, представляющий собой конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором 1500 тысяч пачек пельменей. В него мы кидаем одинокий пельмешек, который хотим телепортировать. Они сливаются в экстазе, а на свободу вырывается поток света, содержащий всю информацию из кинутого пельмешка. Далее этим светом мы освещаем небольшой комочек бесформенного конденсата Бозе-Эйнштейна, тем самым сообщаем ему информацию о телепортируемом пельмене, и бесформенный кусок принимая эту информацию превращается в точную копию изначально-телепортируемого пельмешка.
В целом это всё. Сегодня всё новые и новые группы ученных заявляют об успешно завершённой телепортации атомов при помощи этого способа. Среди них есть и российские физики. Хотя эксперимент проводили совместная группа из российских и японских учёных, но всё равно новость приятная. А в этом десятилетии обещают даже телепортировать вирус или даже бактерию. Будем ждать.
Возникает резонный вопрос по поводу того что на самом деле изначальный объект полностью уничтожается, а затем собирается из других атомов в другом месте. Фактически телепортируемый объект разрушается даже не на молекулярном, а на атомарном уровне. Так вот вопрос в том, если телепортируют человека, будет это тот же самый человек, или изначальное сознание умрёт, а будет создано нечто новое. Но это уже вопрос не столь науки, сколько скорее философии, и тем не менее он довольно важен. Ответа у учёных пока нет.
На этом у меня всё, спасибо что дочитали.
Пометочка: для создания КБЭ, изначально плазма не нужна. Но для аналогии годится.
Сверхтекучая Вселенная: тёмная материя как конденсат Бозе-Эйнштейна
Квантовые эффекты работают не только на субатомном уровне: они могут оказаться распростёртыми через всю галактику и решить загадку тёмной материи
Большая часть материи Вселенной невидима, состоит из некоего вещества, не оставляющего никаких следов в процессе прохождения сквозь нас, и сквозь все детекторы, построенные учёными с целью поймать её. Но эта тёмная материя может и не состоять из невидимых облаков частиц, как предполагает большинство теоретиков. Вместо этого она может оказаться чем-то ещё более странным: сверхтекучей жидкостью, сконденсировавшейся в лужицы миллиарды лет назад, и породившей наблюдаемые нами сегодня галактики.
Это новое предположение имеет далеко идущие последствия для космологии и физики. Сверхтекучая тёмная материя (СТМ) решает множество теоретических проблем, связанных с облаками частиц. Она объясняет тянущиеся раздражающе долго неудачные попытки определить отдельные составляющие этих облаков. Также оно предлагает чёткий научный путь дальнейших поисков и выдаёт определённые предсказания, которые скоро уже можно будет проверить.
У СТМ есть и важные концептуальные последствия. Из этой идеи следует, что общепринятое представление о Вселенной как о массе отдельных частиц, связанных при помощи неких сил — будто бы детский конструктор — упускает всё богатство природы. Большая часть материи во Вселенной может быть совершенно не такой, как материя, из которой состоит ваше тело: она может состоять не из атомов и даже не из таких частиц, какие мы обычно себе представляем, а быть когерентным целым огромной протяжённости.
«Много лет люди пользовались простейшей моделью для ТМ: частицы, которые не сталкиваются с другими частицами и не излучают свет», — говорит Джастин Коури [Justin Khoury], профессор теоретической физики из Пенсильванского университета. «Но за последние 20 лет наблюдения и компьютерные симуляции заметно улучшились, и на галактических масштабах у этой модели появились некоторые проблемы». Частицы ТМ не сталкиваются сами с собой, поэтому не собираются в компактные структуры, эквивалентные звёздам и планетам. Поскольку ТМ по определению не испускает свет, свидетельством её существования служит её гравитационное воздействие: невидимый материал, судя по всем, влияет на формирование, вращение и движение галактик. На крупнейших масштабах ТМ без столкновений обычно хорошо соответствует астрономическим наблюдениям.
На менее крупных масштабах эта популярная и широко применяющаяся модель предсказывает, что в галактических центрах должно собираться больше материала, чем видно астрономам — эта особенность известна, как «проблема перегиба» [cusp problem]. Также эта модель предсказывает слишком много галактик-спутников для Млечного Пути, и не может объяснить, почему те спутники, что у нас реально есть, располагаются почти в одной плоскости. И, наконец, ТМ без столкновений ничего не говорит о том, почему яркость спиральных галактик соответствует их скорости вращения. Эта простая модель, судя по всему, слишком проста.
Одним из возможных объяснений таких недостатков может быть то, что физики пропустили один важный астрофизический процесс, участвующий в формировании галактики. Но Коури так не считает. С его точки зрения эта проблема говорит о чём-то более глубоком. Дело не только в том, что модель холодной ТМ без столкновений с трудом соответствует некоторым данным, но ещё и в том, что совершенно другая модель гораздо лучше соответствует тем самым наблюдениям, с которыми у стандартной модели есть проблемы. Вместо того, чтобы изобретать новые, неоткрытые частицы, другая модель предлагает модифицировать гравитацию для соответствия ТМ. Поведение гравитации на расстояниях в тысячи и миллионы световых лет измерить напрямую нельзя. Небольшие эффекты, которые невозможно обнаружить на Земле, могут играть достаточно большую роль на масштабе целой галактики.
Модификация гравитации (МГ) оказывается удивительно успешной в некоторых случаях и испытывает проблемы в других. С одной стороны, она удивительно легко соответствует вращению галактик и объясняет, откуда берётся зависимость яркости и скорости вращения. МГ не позволяет появляться такому разнообразию параметров от галактике к галактике, какое возникает при использовании облаков из частиц — последние могут быть совершенно разными. С другой стороны, МГ с трудом справляется с данными наблюдений за расстояниями гораздо большими или меньшими, чем размер типичной галактики. На этих масштабах лучше работает модель холодной ТМ.
Печальной известностью пользуется тот факт, что изменить что-либо в эйнштейновской теории гравитации, без того, чтобы её полностью не сломать, чрезвычайно трудно. Поэтому большинство физиков выбирают более безопасную альтернативу в виде ТМ, состоящей из частиц. Для них появление новых частиц — проторённый путь решения проблем, и связанная с этим математика является знакомой территорией. Но Коури не хочет примыкать к какой-либо из этих сторон. Он хочет взять лучшее у обоих, так, чтобы лучше всего соответствовать реальной Вселенной.
«Обычно люди пытались решать проблемы галактического масштаба, модифицируя гравитацию; такова была альтернатива ТМ, — говорит Коури. — И по каким-то причинам, возможно, социального характера, два этих подхода считались взаимоисключающими: вы либо находитесь в лагере МГ, либо в лагере ТМ, состоящей из частиц. Но почему нельзя их совместить? Конечно, бритва Оккама сказала бы, что это будет менее убедительно. Поэтому выбранный нами подход состоит в том, что оба явления, МГ и ТМ, состоящая из частиц, могут просто быть аспектами одной и той же теории».
Свидетельства существования ТМ накапливаются с момента её обнаружения швейцарским астрономом Фрицем Цвикки более 80 лет назад. В 1933 году Цвикки воспользовался 254 сантиметровым телескопом Хукера в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, направив его в сторону скопления Волос Вероники. Это рой из порядка 1000 галактик, связанных вместе гравитационным притяжением. В такой связной системе скорости её составляющих — в данном случае, галактик — зависят от общей связанной массы. Цвикки отметил, что галактики двигаются гораздо быстрее, чем двигались бы, если учитывать только видимую массу вещества, и предположил, что в скоплении должна содержаться невидимая материя. Он назвал её Dunkle Materie, или «тёмной материей» по-немецки.
Физики могли бы отбросить этот случай как странное отклонение. Но оказалось, что это наблюдение является больше правилом, чем исключением, когда американский астроном Вера Рубин с 1960-х годов изучала вращение спиральных галактик. Скорость звёзд на орбитах далеко от центра галактики зависит от общей массы (и, следовательно, гравитационного притяжения) связной системы — в данном случае, от массы галактики. Измерения Рубин показали, что десятки галактик вращались быстрее, чем можно было бы предположить, исходя только из видимой материи. С тех пор, как наблюдения Рубин вывели ТМ под свет прожекторов, она попала в список самых популярных нерешённых проблем физики.
Технологии телескопов стабильно улучшались, и свидетельства в пользу ТМ, полученные из наблюдений, постепенно накапливались и уточнялись. Теперь физики могут наблюдать небольшие искажения, происходящие из-за гравитационного искривления пространства-времени рядом с галактическими скоплениями. Это искажение, известные, как слабое гравитационное линзирование, немного деформирует вид более удалённых звёздных объектов; идущий от них свет искривляется вокруг кластера, чьё притяжение действует, как линза. По силе этого эффекта общую можно рассчитать массу скопления и продемонстрировать присутствие ТМ. С помощью этого метода физики уже даже построили карты распространения ТМ. Сопоставив их с другими методами доказательства, они определили, что 85% материи Вселенной должно относиться к ТМ.
Используя ещё больше данных, физики также смогли исключить идею того, что ТМ состоит из невидимых комков обычных атомов, таких, из которых состоит Земля (технически они называются барионной материей). Эта, нормальная материя, слишком сильно взаимодействует сама с собой; она не давала бы наблюдаемое распределение ТМ. ТМ также не может состоять из звёзд, схлопнувшихся в чёрные дыры или других тусклых астрономических объектов. Если бы это было так, этим объектам пришлось бы сильно превосходить по количеству звёзды в нашей галактике, что привело бы к значительным и легко наблюдаемым гравитационным искажениям. Также ТМ не может состоять и из других известных частиц, таких, как слабо взаимодействующие нейтрино, в большом количестве испускаемые звёздами. Нейтрино не комкуются достаточно сильно для того, чтобы создать наблюдаемые галактические структуры.
Получается, что для того, чтобы объяснить, из чего состоит ТМ, физикам приходится строить теории о новых, пока не обнаруженных частицах. Чаще всего используются те из них, что попадают в два широких класса: слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы) и гораздо более лёгкие аксионы, хотя недостатка в более сложных гипотезах, комбинирующих различные типы частиц, также не наблюдается. Но все попытки обнаружить эти частицы напрямую, а не просто выводить их присутствие из гравитационного притяжения, пока остаются неудачными. Вместо решения загадки эксперименты по их прямому обнаружению только углубили её.
«Сегодня невозможно интересоваться космологией без того, чтобы интересоваться тёмной материей», — говорит Стефано Либерати [Stefano Liberati], профессор физики в Международной школе передовых исследований в Италии. Либерати с коллегами независимо работали над объяснением ТМ, очень похожим на то, что даёт Коури. Когда Либерати впервые обнаружил, насколько успешными получаются МГ на галактических масштабах, где модели холодной ТМ терпят неудачу, он сразу же попытался придумать способ скомбинировать эти две модели. «Это заставило меня задуматься: может, ТМ на малых масштабах испытывает некий фазовый переход, — говорит он. — Может, она превращается в какую-то жидкость, в частности, в сверхтекучую. Если она формирует конденсат на масштабе галактик, это на самом деле решило бы множество проблем».
Сверхтекучие жидкости не существуют в повседневной жизни, но физикам они хорошо знакомы. Они походят на сверхпроводники — класс материалов, в которых электричество движется без сопротивления. При охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нуля, гелий тоже начинает течь без сопротивления. Он просачивается сквозь мельчайшие поры, и даже вытекает из поддонов, двигаясь вверх по стенкам. Такое супертекучее поведение характерно не только для гелия; это фаза состояния вещества, в которую при достаточно низких температурах могут переходить и другие частицы. Этот класс ультрахолодных жидкостей, впервые предсказанный в 1924 году Эйнштейном и индийским физиком Шатьендранатом Бозе, сегодня известен, как конденсат Бозе-Эйнштейна. Либерати понял, что ТМ тоже может переходить в сверхтекучее состояние.
Конденсаты Бозе-Эйнштейна лучше всего изучать в виде смеси двух компонентов: сверхтекучей жидкости и обычной. Два этих компонента ведут себя по-разному. Сверхтекучий демонстрирует квантовые эффекты на больших расстояниях, у него нет вязкости и проявляются неожиданные корреляции на больших масштабах; он ведёт себя так, будто состоит из гораздо более крупных частиц, чем на самом деле. Другой, нормальный компонент, ведёт себя, как привычные нам жидкости; прилипает к контейнерам и к самому себе — то есть, обладает вязкостью. Соотношение между двумя компонентами зависит от температуры конденсата: чем выше температура, тем большее влияние оказывает нормальный компонент.
Мы привыкли думать, что квантовая физика преобладает лишь в области микроскопического. Но чем больше физики узнавали о квантовой теории, тем яснее становилось, что это не так. Конденсаты Бозе-Эйнштейна — одни из наилучшим образом изученных веществ, позволяющих квантовым эффектам распространяться в среде. В теории квантовое поведение может распространяться на произвольно большие расстояния, если его возмущения будут достаточно слабыми.
В такой тёплой и шумной среде, как Земля, хрупкие квантовые эффекты быстро уничтожаются. Поэтому мы обычно не сталкиваемся с такими странными аспектами квантовой физики, как возможность частиц вести себя, как волны. Но если вызвать квантовое поведение в холодном и спокойном месте, оно будет сохраняться. В таком холодном, спокойном месте, как, например, внешний космос. Там квантовые эффекты способны простираться на огромные расстояния.
Если бы ТМ была конденсатом Бозе-Эйнштейна — таким, у которого квантовый эффект распространяется на всю галактику — это состояние естественным образом объяснило бы две разные модели поведения ТМ. Внутри галактик большая часть ТМ находилась бы в сверхтекучей фазе. На протяжении галактических скоплений с большой долей межгалактического пространства, большая часть ТМ находилась бы в нормальной фазе, что вызывало бы иное поведение. Согласно Коури и коллегам, возможно объяснить наблюдаемые эффекты ТМ при помощи простой модели конденсата Бозе-Эйнштейна, обладающей всего несколькими открытыми параметрами (свойствами, у которых должны быть правильные значения для того, чтобы модель заработала).
Идея о том, что ТМ может быть конденсатом Бозе-Эйнштейна, давно вращается в астрофизическом сообществе, но новая версия имеет свои отличия. Новая идея Коури так убедительна потому, что он говорит, что сверхтекучая ТМ может имитировать МГ: она достигает цели, комбинируя лучшее из обеих моделей. Оказывается, что гравитацию не нужно модифицировать для того, чтобы получить результаты, наблюдаемые в теориях МГ. Когерентная сверхтекучая жидкость может привести к появлению тех же самых уравнений и того же самого поведения. Таким образом модель Коури комбинирует преимущества как холодной ТМ, так и МГ, без недостатков обеих теорий.
Сверхтекучая ТМ может преодолеть крупнейшую из проблем МГ: нелюбовь к ней большинства астрофизиков. Многие из этих исследователей пришли из физики частиц, и уравнения МГ кажутся им непривычными. Для специалиста по физике частиц эти уравнения выглядят непривлекательно и неестественно. Они кажутся подогнанными под результат. Но сверхтекучая ТМ предлагает другой, возможно, более естественный подход к уравнениям.
Согласно Коури, уравнения для сверхтекучей ТМ не относятся к области элементарной физики частиц. Они появляются из физики конденсированных состояний, где описывают не фундаментальные частицы, а появляющееся на их основе дальнодействующее поведение. В модели Коури уравнения, появляющиеся в МГ, не описывают отдельные частицы. Они описывают совместное поведение частиц. Такие уравнения незнакомы многим специалистам по физике частиц, поэтому взаимоотношение между сверхтекучестью и МГ так долго оставалось незамеченным. Но, в отличие от уравнений МГ, уравнения, описывающие сверхтекучие жидкости, уже обладают сильным теоретическим фундаментом — только в физике конденсированных состояний.
То, что Коури заметил эту связь — непрогнозируемая случайность. Он наткнулся на литературу по физике конденсированных состояний, использовавшую уравнения, очень похожие на те, что он видел в теориях МГ: «А всё остальное затем просто встало на свои места, — говорит он. — Я подумал, что это всё просто сформировало красивую картинку, объединяющую два этих явления».
Возвращаясь к наблюдательным свидетельствам существования ТМ, сверхтекучий подход Коури может решить множество проблем существующих моделей. Для начала, сверхтекучесть препятствует излишнему комкованию ТМ в центрах галактик, устраняя иллюзорный «перегиб», поскольку в фазе сверхтекучести выравниваются все флуктуации плотности. «Сверхтекучая жидкость будет обладать когерентной длиной [расстоянием, на котором вся материя находится в одном состоянии], — говорит Либерати. — Из этого уже ясно, что никаких перегибов не будет».
Сверхтекучесть выдаёт схему притяжения идентичную уравнениям МГ, поэтому она может отвечать за наблюдаемую регулярность кривых вращения галактик. Однако, в отличие от МГ, она ведёт себя только при таких температурах, при которых преобладает сверхтекучая компонента. На более крупных масштабах галактических скоплений ТМ получается слишком возбуждённой (то есть, слишком горячей) и теряет сверхтекучие свойства. Таким способом сверхтекучая ТМ могла дать начало формированию видимых галактик, и одновременно, в фазе, отличной от сверхтекучести, соответствовала бы наблюдаемой структуре скоплений.
Подход Коури объясняет, почему астрономы не наблюдают свидетельств МГ внутри Солнечной системы. «Солнце создаёт настолько сильное гравитационное поле, что оно локально уничтожает сверхтекучую когерентность, — говорит он. — Вблизи Солнечной системы не стоит размышлять в терминах сверхтекучей когерентности. Солнце ведёт себя как примесь. Как дыра в жидкости».
Наконец, модель сверхтекучей жидкость объясняет, почему физики не могут найти частицы ТМ. С 1980-х десятки различных экспериментов ищут прямое свидетельство существования таких частиц. Эти эксперименты обычно используют крупные экранированные цистерны с различными материалами, которые в редких случаях могут взаимодействовать с частицами ТМ и выдавать наблюдаемый сигнал. Несмотря на широкое разнообразие техник и материалов, на использование тщательно изолированных детекторов, запрятанных в подземных шахтах для фильтрации ложных сигналов, не было найдено никаких убедительных свидетельств существования ТМ.
При отсутствии обнаружения идея о том, что ТМ может быть чем-то другим, нежели просто ещё один тип частиц, становится всё убедительнее. «Когда я был студентом, я просыпался каждую тридцатую ночь после сна о модифицированной гравитации, — говорит Нима Аркани-Хамед [Nima Arkani-Hamed], профессор теоретической физики в Принстоне. — Затем это происходило раз в 300 ночей, а теперь — раз в 100. Тема возвращается».
Если ТМ — это сверхтекучая жидкость, то частицы, из которых она состоит, должны быть лёгкими, гораздо легче, чем гипотетические частицы ТМ, которые ищут большинство экспериментов. Составляющие сверхтекучей жидкости, вероятно, слишком легки для того, чтобы их можно было обнаружить в текущих экспериментах.
Улучшенное и уникальное предсказание модели Коури состоит в том, что сверхтекучее квантовое поведение должно оставлять характерный след в столкновениях галактик. Когда конденсат ТМ одной галактики сталкивается с конденсатом другой, в результате должны появляться рисунки интерференции — рябь в распределении материи и гравитации, которая будет влиять на поведение галактик. Сверхтекучая ТМ также делает предсказания о трении между компонентами ТМ в скоплениях галактик; такое трение опять-таки даст определённый рисунок гравитационного притяжения. Наблюдения за гравитационным линзированием могут обнаружить эти признаки наличия сверхтекучей ТМ, если точно знать, что надо искать.
Для численной оценки предсказаний необходимо проводить компьютерные симуляции. Коури сейчас работает именно над таким проектом совместно с исследователями из Оксфордского университета. Симуляции также должны показать, согласуется ли ожидаемое количество галактик-спутников лучше с теорией сверхтекучей ТМ, чем с предсказаниями существующих моделей.
Аманда Велтман [Amanda Weltman], космолог из Кейптаунского университета, работающая с ТМ, но не участвовавшая в данном исследовании, считает, что новая модель получается «очень интересной и творческой». Но она говорит, что придержит свои оценки до тех пор, пока не увидит экспериментального подтверждения, неких свидетельств, однозначно поддерживающих сверхтекучесть: «Такие наблюдения придадут реальный вес их идеям». Если симуляции на суперкомпьютерах будут успешными, Коури, возможно, сможет предоставить подобные свидетельства. И затем нам придётся привыкать к ещё более сложному взгляду на Вселенную — заполненную не только тёмной материей, но и сверхтекучими жидкостями без трения, закручивающимися вокруг ярких галактик.
Аркани-Хамед более скептичен, и не готов расставаться с холодной ТМ. «Но если вимпы в следующем наборе экспериментов так и не найдут, их не найдут и в течение следующих 20 лет», — говорит он. Он считает, что пришло время по-новому взглянуть на модели, построенные вокруг необычных частиц или модифицированных теорий гравитации. Или на модель, комбинирующую лучшее из двух тёмных миров.