Электроны атомов располагаются на оболочках определенного энергетического уровня. Каждому электрону соответствует своя оболочка, и если оболочка более низкого уровня энергии занята, то электрон с верхнего уровня «упасть» на нее не может. Это фундаментальное свойство, которое в квантовой механике называется принципом запрета Паули. Австрийский физик Вольфганг Паули сформулировал его в 1925 году. Принцип запрета Паули объясняет и оболочечную структуру атомов, и разнообразие химических элементов Периодической таблицы, и стабильность материальной Вселенной.
Физики из Массачусетского технологического института (MIT) наблюдали принцип запрета Паули в эксперименте: они обнаружили, что запрет проявляется в том, как атомы рассеивают свет. Обычно, когда фотоны света проходят через облако атомов, частицы света и атомы соударяются друг с другом, как бильярдные шары, рассеивая свет во всех направлениях, и это делает облако видимым. Однако массачусетские исследователи обнаружили, что, если атомы сверхохлажденные и сверхсжатые, принцип Паули не дает частицам рассеивать свет. Фотоны проходят через них, не рассеиваясь. В своих экспериментах они наблюдали этот эффект в облаке атомов лития. По мере охлаждения атомов облако становилось все более плотным, потому что атомы стремились занять оболочки более низкого энергетического уровня, но из-за запрета Паули не могли на них попасть и теснились внутри облака, что мешало рассеянию света, и атомы становились все более тусклыми. Физики предполагают, что, если продолжить охлаждение до температур абсолютного нуля, облако атомов станет совершенно невидимым. Результаты этих экспериментов опубликованы в Science.
Важным для демонстрации теоретического принципа квантовой физики было достижение контроля над атомным облаком. В последние годы группа профессора MIT Вольфганга Кеттерле, ведущего автора нынешней публикации, разработала магнитные и лазерные методы охлаждения атомов до сверхнизких температур. Ограничивающим фактором, по словам Кеттерле, оставалась плотность. В новом исследовании ученые использовали метод, разработанный ими раннее для замораживания облака особого изотопа лития, в атоме которого три электрона, три протона и три нейтрона. Облако таких атомов удалось охладить до температуры 20 микрокельвинов — это 1/100,000 температуры межзвездного пространства. Плотность сверххолодных атомов в этих экспериментах, увеличенная сфокусированным лучом лазера, достигала одного квадриллиона атомов на кубический сантиметр.
Марина АСТВАЦАТУРЯН
Нет комментариев