Neviditelný čert

Boseho-Einsteinův kondenzát je zvláštní forma hmoty, v níž extrémně chladné atomy vykazují kolektivní chování a chovají se jako jediný „superatom“.

Lucifer

Boseho-Einsteinův kondenzát (BEC) je jedním z pěti základních stavů hmoty. V něm atomy dosahují tak nízkých energií, že se podle pravidel kvantové mechaniky přestávají chovat jako jednotlivé atomy a chovají se jako jediný "superatom".

Boseho-Einsteinův kondenzát vzniká pouze tehdy, když jsou materiály ochlazeny na hranici absolutní nuly. Při této teplotě se atomy vůči sobě téměř nepohybují; nemají k tomu téměř žádnou volnou energii. Atomy se pak začnou shlukovat a vstupovat do stejných energetických stavů. Z fyzikálního hlediska se stanou identickými a celá skupina se začne chovat, jako by šlo o jeden atom.

Plyny, kapaliny, pevné látky a plazma se studují již desítky let, ne-li staletí, ale Boseho-Einsteinovy kondenzáty byly v laboratoři vytvořeny až v 90. letech 20. století. Boseho-Einsteinův kondenzát se vytváří tak, že se na začátku vytvoří oblak rozptýleného plynu. Mnoho experimentů začíná s atomy rubidia. Pak jej ochladíte pomocí laserů, přičemž paprsky odebírají atomům energii. Poté k jejich dalšímu ochlazení vědci používají odpařovací chlazení.

„V případě [Boseho-Einsteinova kondenzátu] vycházíte z neuspořádaného stavu, kdy je kinetická energie větší než potenciální,“ řekl Xuedong Hu, profesor fyziky na univerzitě v Buffalu, pro Live Science. „Když ho ochladíte, nevytvoří mřížku jako pevná látka.“

Místo toho se atomy dostávají do stejných kvantových stavů a nelze je od sebe odlišit. V tu chvíli se atomy začnou řídit takzvanou Boseho-Einsteinovou statistikou, která se obvykle aplikuje na částice, které od sebe nelze rozlišit, jako jsou fotony nebo světelné pakety.

Boseho-Einsteinovy kondenzáty poprvé teoreticky předpověděl ve 20. letech 20. století Satyendra Nath Bose (1894-1974), indický fyzik, který také objevil subatomární částici pojmenovanou po něm - boson. Bose pracoval na statistických problémech kvantové mechaniky a podle Americké fyzikální společnosti poslal své myšlenky, které se týkaly fotonů, Albertu Einsteinovi.

Einstein je považoval za natolik důležité, že je nechal zveřejnit. Stejně důležité bylo, že Einstein viděl, že Boseho matematiku – později známou jako Boseho-Einsteinova statistika – lze aplikovat na atomy i na světlo. Podle APS oba publikovali v roce 1924 sérii článků, v nichž popsali podrobnosti této zvláštní formy hmoty.

Zjistili, že atomy musí mít určitou energii - jedním ze základů kvantové mechaniky je, že energie atomu nebo jiné subatomární částice nemůže být libovolná. Proto mají například elektrony diskrétní "orbitaly", které musí zaujímat, a proto při přechodu z jednoho orbitalu nebo energetické hladiny na jinou vyzařují fotony o určité vlnové délce. Když však atomy ochladíme na miliardtinu stupně absolutní nuly, některé atomy začnou padat do stejné energetické hladiny a stanou se nerozlišitelnými. Proto se atomy v Boseho-Einsteinově kondenzátu chovají jako „superatomy“. Když se člověk snaží změřit, kde se nacházejí, místo diskrétních atomů vidí spíše rozmazanou kouli.

Ostatní stavy hmoty se řídí Pauliho vylučovacím principem, pojmenovaným po fyzikovi Wolfgangu Paulim. Pauli (1900-1958) byl švýcarský a americký teoretický fyzik rakouského původu a jeden z průkopníků kvantové fyziky. Jeho princip říká, že fermiony - částice jako kvarky a leptony, které tvoří hmotu - nemohou být ve stejných kvantových stavech. Proto když jsou dva elektrony ve stejném orbitalu, musí být jejich spiny opačné, aby se sčítaly a rovnaly nule. To je zase jeden z důvodů, proč chemie funguje tak, jak funguje, a proč atomy nemohou současně zaujímat stejný prostor. Boseho-Einsteinovy kondenzáty toto pravidlo porušují.

Zdroj: Live Science, Bose-Einstein condensate: The fifth state of matter

Můj komentář

Někdy si připadám též jako kondenzát. Ne jako pátý, ale spíš šestý či sedmý stav hmoty. K osmičce jsem zatím nedorazil. Že atomy vykazují kolektivní chování, je jasná věc. Nevím, proč nad tím badatelé kroutili hlavou. Berte to jako humornou nadsázku. Z hlediska kvantové fyziky je pátý stav hmoty jistě zajímavý.

29.03.2024, 10:46:58   Publikoval Luciferkomentářů: 0