Невидимое вещество — как ученым удалось сделать невозможное
17 декабря 2021
10K прочитали
Очень странный квантовый эффект, предсказанный еще три десятилетия назад, впервые удалось получить опытным путем. Вещество стало невидимым!
Почему мы видим
Объект или отражает свет или его испускает. Для того, чтобы что-то стало невидимым, надо исключить и то, и другое. Это смогли сделать физики из MIT, которые заставили атомы перестать излучать свет. Были опубликованы три научные работы об этом глобальном исследовании.
Как это работает
Атомы излучают свет, когда их электроны переходят с более высоких энергетических уровней на более низкие. Чтобы это случилось, надо сначала чем-то атом взбодрить.
Состояния атома. Источник: infourok.ru
Например светом, проходящим через него и придающим дополнительную энергию. Это переводит атом в возбужденное состояние, и электроны стремятся на верхние уровни с большей энергией, а затем спускаются обратно. Для того, чтобы это случилось, им нужно испустить лишнюю энергию — излучить те самые фотоны. То же самое случается, когда фотоны проходят через облако атомов. Свет испускается в разных направлениях и получается облако газа из атомов лития. Однако, если это облако охладить и сильно сжать, то частицам уже должно настолько не хватать места для рассеивания, что фотоны начнут проходить сквозь без пауз. Вплоть до полной прозрачности, то есть невидимости самого облака.
Эффект блокировки Паули
В начале 90-х годов прошлого века это было предсказано. Тогда феномен получил название эффект блокировки Паули. Ведь он мешает атому делать то, что для него естественно, — излучать свет. И до сих пор этот эффект не получалось наблюдать в реальном мире. Он работает благодаря одному из базовых принципов физики — принципа исключения.
Чтобы лучше это понять, можно представить электроны на их орбитах, как на авто на многоярусной стоянке. В каждый бокс вмещается только одна машина. А после того как все боксы на нижнем этаже стоянки заняты, машинам приходится в поисках свободного места проезжать на следующий этаж. Аналогично и электроны в атомах — на каждой орбите вокруг ядра их помещается не больше, чем там есть «парковочных» мест. После того как все места будут заняты, электрон ищет его себе на более высокой орбите. После этого электроны ведут себя так, будто вращаются вокруг своей оси. То есть наделены собственным моментом вращения, который принято называть «спином». Он может принимать лишь два значения: +½ или - ½. И вот два электрона с противоположным спином могут занимать одно место на орбите. Словно машины с правым и левым рулем на одном парковочном месте.
Визуализация атома. Источник: infourok.ru
Этот же принцип применим к атомам в газе. Однако, если его охлаждать и уплотнять, то атомы теряют энергию, а электроны пытаются «парковаться» на ярусах пониже. В итоге они находятся настолько плотно, что частицы не могут взаимодействовать со светом, принимать его энергию. Ведь для этого придется переходить на другой ярус орбиты, а это уже невозможно. И свет проходит сквозь них нетронутым.
Можно ли сделать вещи невидимыми? Едва ли. Для этого вещество нужно охлаждать до температуры близкой к абсолютному нулю.
Однако польза открытия огромна. У людей появилась возможность надежнее защищать квантовые компьютеры от потери данных, что сильно волнует создателей этих устройств.
Ранее мы рассказывали, что такое прозрачные звезды, и можно ли их увидеть.