Redakcja: Czym jest kondensat Bosego-Einsteina i kiedy został po raz pierwszy zapostulowany?

Dr hab. Krzysztof Pawłowski: Kondensat Bosego-Einsteina jest nowym stanem skupienia, takim jak ciecze, gazy albo ciała stałe. Został zapostulowany w 1924 r. przez Alberta Einsteina, a wynikał bezpośrednio z pracy hinduskiego fizyka Satyendry Bosego, takiego człowieka renesansu, który był jednocześnie kulturoznawcą, literatem czy np. medykiem. Kondensat Bosego-Einsteina można rozumieć na różne sposoby. Wolfgang Ketterle, czyli jeden noblistów, którzy w 2001 r. zostali uhonorowani Nagrodą Nobla za doświadczalne odkrycie kondensatu przedstawiał go jako taką falę materii. Naukowcy już dużo wcześniej zauważyli, że o każdym atomie można myśleć jako o fali. Podobnie jak cząstki światła, które normalnie są falami i mogą interferować, tak i atomy można traktować niczym swoiste fale. Ta fala jest tym większa i dłuższa, im niższa jest temperatura, a w pewnych temperaturach fale atomów są tak duże, że wzajemnie się na siebie nakładają. Jeżeli dodatkowo atomy są bozonami, to wtedy te fale dodają się i tworzą jedną wielką, spójną falę materii.

Taki był obraz przedstawiony przez Wolfganga Ketterle’go, natomiast ja lubię bardziej ujęcie statystyczne, według którego kondensat Bosego-Einsteina to dość nieoczekiwany wynik pewnych zmian w rachunku prawdopodobieństwa. Żeby nie było to zbyt egzotyczne, zaproponuję słuchaczom do wykonania zadanie. Wyobraźmy sobie, że rzucamy dwoma monetami i zadanie polega na stwierdzeniu, jakie jest prawdopodobieństwo, że wyrzucimy orła i reszkę? Klasyczna odpowiedź to 1/4, ponieważ możliwe opcje są następujące:

1. Na obydwu monetach będzie orzeł.

2. Na obydwu monetach będzie reszka.

3. Na pierwszej monecie będzie orzeł, a na drugiej reszka.

4. Na pierwszej monecie będzie reszka, a na drugiej orzeł.

Daje to więc cztery możliwości, z których każda jest tak samo prawdopodobna, a prawdopodobieństwo wynosi 1/4. Bose wykonał zaś to zadanie, ale o dziwo podał odpowiedź 1/3. Odnosiło się to do swoistych kwantowych „monet”, czyli atomów, gdzie rzeczywiście statystyka jest inna, bo atomy mogą być nierozróżnialne. Gdyby monety były nierozróżnialne, to ta możliwość, że na jednej monecie jest orzeł, a na drugiej reszka stanowiłaby tylko jedną z opcji. Nie wyróżniamy, która moneta miała orła, a która miała reszkę, tylko ile było orłów, a ile reszek i w tej sytuacji odpowiedź brzmiałaby 1/3.

Okazuje się jednak, że atomy zachowują się jak cząstki nierozróżnialne. To zmienia ich statystyczne własności oraz sposoby liczenia. Wkład Bosego polega właśnie na tym, że zaproponował on nierozróżnialność fotonów, a Einstein przejął tę ideę, proponując nierozróżnialność atomów. Wyliczył podstawowe własności i zauważył, że jeżeli będziemy zwiększać gęstość atomów, to powyżej pewnej krytycznej gęstości każdy dodany atom będzie nieruchomy. Możemy więc sobie wyobrazić, że w pojemniku o bardzo wysokiej temperaturze gazu znajduje się mnóstwo atomów i mimo, że temperatura jest wysoka, a cząstki te są bardzo szybkie, to praktycznie wszystkie lewitują, czyli posiadają zerową prędkość.

To jest właśnie kondensat Bosego-Einsteina, statystyczny efekt polegający na tym, że powyżej pewnej gęstości i temperatury wszystkie atomy zaczynają obsadzać ten sam stan. Wtedy można myśleć o takim kondensacie jako swoistym super-atomie, jednej własności reprezentowanej przez wszystkie atomy. W typowym gazie ten rozkład prędkości jest bardzo szeroki, co oznacza, że możemy znaleźć zarówno wyjątkowo szybkie, jak i niezwykle wolne atomy. Znajdujemy atomy o różnych położeniach, których rozkład prędkości podlega prawom dość chaotycznym. W kondensacie Bosego-Einsteina prawie wszystkie atomy mają zaś taką samą prędkość i zachowują się jak tacy, jak mówił Wolfgang Ketterle, żołnierze, którzy zaczynają razem maszerować. Ustalają się ich własności, wszystkie atomy są zsynchronizowane i może jest to dość pokrętna wypowiedź, ale rzeczywiście tym właśnie jest kondensat Bosego-Einsteina.

Dlaczego potwierdzenie istnienia kondensatu zajęło aż kilkadziesiąt lat?

Einstein zaproponował wytworzenie kondensatu poprzez zwiększanie gęstości. Twierdził, że jeśli będziemy dodawali atomy do jakiegoś pojemnika z gazem, to w którymś momencie powinny one przejść w stan kondensatu Bosego-Einsteina. Ten pomysł Einsteina został natychmiast skrytykowany przez największych ówczesnych fizyków, którzy zauważyli, że jeżeli zaczniemy dodawać atomy do pojemnika, to w którymś momencie uzbiera się ich na tyle dużo, że będą się one ze sobą często zderzały i wtedy nawet jeśli temperatura będzie ustalona, to atomy zaczną tworzyć ciało stałe. Później wymyślono, że aby otrzymać kondensat należałoby mocno schłodzić gaz. Zamiast zwiększać gęstość można utrzymywać stałą gęstość, ale zmniejszać temperaturę i prostu chłodzić tę chmurę atomów. Okazało się, że do wytworzenia kondensatu potrzebne są temperatury rzędu setek nanoKelwinów, czyli 10 rzędów wielkości niższe niż temperatury pokojowe. Takich temperatur nie posiada żaden układ we wszechświecie, a najniższa temperatura, jaka występuje w naturze wynosi 2 Kelwiny. Pojawiło się więc pytanie, w jaki sposób otrzymać tak chłodną próbkę gazu?

To zadanie okazało się bardzo trudne. Za próby chłodzenia i kolejne wyniki doświadczalne w chłodzeniu atomów przyznawano kolejne Nagrody Nobla. Na przykład za chłodzenie laserowe, czyli technikę polegającą na chłodzeniu atomów poprzez oświetlanie odpowiednio dobranymi wiązkami laserowymi, przyznana została Nagroda Nobla w 1997 r., którą otrzymali Claude Cohen-Tannoudji i Steven Chu. Był to więc w pewnym momencie jedynie problem technologiczny, polegający na tym, jak schłodzić próbkę atomów. Wraz z rozwojem nauki i naszej wiedzy o tym, jak atomy oddziałują z materią pojawiły się nowe pomysły oraz nowe metody chłodzenia. Ostatecznie osiągnięto już taki poziom, że w ciągu jednego roku grupy Ketterlego, Wiemana-Cornella oraz Huleta, otrzymały temperatury na tyle niskie, aby dzięki temu natychmiast uzyskać kondensat Bosego-Einsteina.

Oglądaj całość