Вторая часть фрагмента книги «Великая физика» американского ученого и популяризатора науки Клиффорда Пиковера, выпущенной издательством«БИНОМ. Лаборатория знаний».
На этот раз из 250 коротких эссе о физических открытиях, вошедших в эту книгу, мы предлагаем вам прочитать при рассказа, посвященных событиям в физике, случившимся в 1990-е и 2000-е годы.
Концентрат Бозе – Эйнштейна
Агрегатное состояние холодного вещества, называемое конденсатом Бозе–Эйнштейна (или бозе–эйнштейновским конденсатом – БЭК), проявляет удивительные свойства: его атомы теряют индивидуальность и объединяются в нечто целое. Чтобы понять природу БЭК, представим себе колонию муравьев, состоящую из ста особей. Понижаем температуру до 170 миллиардных кельвина – это холоднее, чем в глубоком космосе. Каждый муравей трансформируется в облачко, которое затягивает всю колонию. И каждое такое муравьиное облачко перекрывается со всеми другими, так что колония превращается в одно плотное облако. Отдельных насекомых больше нет. Но если повысить температуру, муравьиные облачка разделятся, и мы снова увидим сотню муравьев, спешащих по своим муравьиным делам как ни в чем не бывало, будто ничего предосудительного с ними не случилось.
Конденсат Бозе-Эйнштейна – состояние очень холодного газа бозонов, частиц, которые имеют право занимать одинаковые квантовые состояния. При низких температурах их волновые функции могут перекрываться, и даже на макроскопических масштабах проявляются интересные квантовые эффекты. Теоретически предсказанный физиками Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном в 1925 г., БЭК был получен в лаборатории – физиками Эриком Корнеллом и Карлом Виманом – только в 1995 г. Они использовали охлажденный почти до абсолютного нуля газ из атомов рубидия-87 (являющихся бозонами). Соотношение неопределенности Гейзенберга говорит, что при уменьшении скорости атомов их положение становится неопределенным, а потому они конденсируются в один гигантский «суператом», ведущий себя как единое целое – своего рода квантовый ледяной куб. В отличие от настоящего льда БЭК очень хрупок и легко разрушается, превращаясь в обычный газ. Несмотря на это, бозе-эйнштейновский конденсат все больше и больше исследуется в различных областях физики, включая квантовую теорию, сверхпроводимость, замедление световых импульсов и даже моделирование черных дыр.
Чтобы замедлить атомы и поймать их в ловушку, ученые получают ультранизкие температуры, используя Лазеры и магнитные поля. Лазерный пучок может оказывать давление на атомы, замедляя их и тем самым охлаждая.
Проект HAARP
Если верить апологетам теории заговора, то комплекс исследования ионосферы и полярных сияний с помощью высокочастотного воздействия (HAARP) является совершенно секретной противоракетной системой, разрушительным средством воздействия на погоду и на системы связи в мировом масштабе, или устройством, способным управлять рассудком миллионов людей. Правда о HAARP не столь пугающая, но она не становится от этого менее захватывающей.
HAARP – экспериментальный проект, финансируемый частично ВВС, ВМФ и Агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам (DARPA) США. Его задача – способствовать изучению ионосферы, одного из внешних слоев атмосферы. Массив из 180 антенн, расположенных на Аляске на участке площадью 4000 м2, полностью вошел в строй в 2007 г. Комплекс HAARP использует высокочастотные передатчики, которые излучают радиоволны мощностью 3,6 млн ватт в ионосферу (она начинается на высоте около 80 км над землей). Эффекты нагревания ионосферы изучаются затем на земле с помощью чувствительной аппаратуры HAARP.
Процессы, происходящие в ионосфере, влияют на гражданские и военные системы связи. В этой части атмосферы солнечный свет рождает заряженные частицы (см. статью «Плазма»). Аляска выбрана для размещения комплекса HAARP еще и потому, что она предоставляет для изучения широкий выбор условий в ионосфере, включая Северное полярное сияние. Ученые могут настроить посылаемый HAARP сигнал так, чтобы возбудить протекание токов в нижних слоях ионосферы, которые посылают низкочастотные волны назад на Землю. Эти волны проникают глубоко в океан и могут использоваться ВМФ для управления подводными лодками независимо от глубины их погружения.
В 1902 г. Гульельмо Маркони организовал трансатлантическую радиосвязь – весь мир тогда был потрясен: оказалось, радиоволны могут огибать земной шар. В 1902 г. инженеры Оливер Хевисайд и Артур Кеннелли независимо друг от друга предположили, что в верхней части атмосферы существует проводящий слой, способный отражать радиоволны назад на Землю. В наши дни ионосфера способствует дальней радиосвязи, однако воздействие на нее солнечных вспышек может привести к глушению сигнала.
Чернейшая чернота
Все созданные руками человека материалы – даже асфальт и древесный уголь – отражают какое-то количество света. Но это не мешало фантастам мечтать об абсолютно черном веществе, которое поглощало бы все цвета светового спектра и ничего бы не отражало. В 2008 г. стали появляться сообщения о группе американских ученых, которые создали «чернейшую черноту», суперчерноту – «наичернейший» материал, когда-либо известный науке. Этот экзотический материал был получен из углеродных нанотрубок, которые напоминают свернутые в цилиндры пластиночки углерода толщиной в один атом. Теоретически абсолютно черный материал должен поглощать свет любой длины волны, падающий на него под любыми углами.
Ученые из Политехнического института Ренсселера и университета Райса изготовили и исследовали микроскопическое покрытие из таких нанотрубок. В определенном смысле мы можем считать, что «шероховатости» этого покрытия были устроены так, чтобы минимизировать отражение света. Черный защитный слой из крошечных нанотрубок отражает лишь 0,045% всего падающего на него света. Этот черный материал более чем в сто раз чернее самой черной краски! Такая «абсолютная чернота» может быть использована когда-нибудь для невероятно эффективного улавливания солнечной энергии или для создания сверхчувствительных оптических инструментов. Чтобы уменьшить отражение света от суперчерного материала, ученые сделали его поверхность беспорядочно неровной и шероховатой. Значительная часть света «захватывается» в крошечных щелях между неплотно упакованными прядями покрытия.
Первые исследования суперчерного материала проводились с видимым светом. Однако интересны и материалы, которые задерживают или сильно поглощают электромагнитное излучение других длин волн – они могут когда-нибудь найти применение для защиты военных объектов от обнаружения.
Поиски технологии производства чернейшей черноты продолжаются. В 2009 г. исследователи из Лейденского университета продемонстрировали тонкий слой нитрида ниобия (NbN), являющийся ультра-абсорбентом: при некоторых углах падения он поглощает почти 100% света. В том же 2009 г. японские ученые сообщили о материале из углеродных нанотрубок, который поглощал почти каждый фотон в широком диапазоне длин волн.
