У фізиці рух майже завжди супроводжується втратами. Вода стикається зі стінками труб, електрони — з атомами металу, а частинки газів постійно зіштовхуються між собою. Саме тому будь-який потік — від струму в дротах до повітряних мас — зазнає опору. Але нещодавно науковці довели: це правило можна порушити.
Міжнародна група дослідників під керівництвом фізика Фредеріка Мьоллера з Віденського технічного університету створила ультрахолодний квантовий газ, у якому атоми рухаються без опору та без розсіювання. Це найефективніша форма транспорту частинок, яку будь-коли спостерігали експериментально.
Що означає «рух без опору» у фізиці
У науці процес руху частинок, енергії чи маси через середовище називають транспортом. Саме транспортні властивості визначають, чому одні матеріали є провідниками, інші — ізоляторами, а треті — надпровідниками.
Зазвичай існує два основні режими транспорту:
- Дифузійний транспорт
Частинки рухаються хаотично, постійно зіштовхуючись. Так поширюється тепло, відбувається осмос у клітинах або переміщення молекул у газах. - Балістичний транспорт
Частинки (зазвичай електрони) рухаються майже без зіткнень і долають великі відстані за короткий час.
Але експеримент із квантовим газом не вписується повністю ні в одну з цих категорій.
Як створили газ із «ідеальним» транспортом
Вчені використали атоми рубідію — це так звані бозонні атоми, які можуть поводитися узгоджено, немов одне ціле. Газ охолодили майже до абсолютного нуля за допомогою двох методів:
- Випаровувальне охолодження,
- Лазерне охолодження, яке зменшує швидкість атомів завдяки взаємодії зі світлом.
Після цього над газом розмістили спеціальний чип, що створював магнітну пастку, спрямовуючи рух атомів. У результаті атоми почали рухатися прямою лінією без втрат енергії, не розтікаючись у просторі, хоча зіткнення між ними все ж відбувалися.
Чому зіткнення не заважали руху
Ключова особливість експерименту в тому, що зіткнення атомів не були хаотичними. Вони нагадували принцип роботи кульок у «колисці Ньютона», де імпульс передається від однієї кулі до іншої без втрат.
Саме тому маса й енергія продовжували рухатися крізь систему, не розсіюючись і не сповільнюючись. Це дозволило досягти транспорту без опору, який фізики раніше вважали практично неможливим для газів.
Чому це відкриття важливе
Цей експеримент має фундаментальне значення:
- він руйнує класичне уявлення про опір як неминуче явище;
- відкриває нові підходи до вивчення квантових матеріалів;
- може вплинути на розвиток надпровідності, квантових сенсорів і майбутніх обчислювальних систем;
- допомагає краще зрозуміти, як поводиться матерія за екстремальних умов.
Дослідники навіть припускають, що подібні принципи можуть стосуватися й ударних хвиль, хоча це питання поки що залишається теоретичним.
Крок до нової фізики транспорту
Створення газу без опору — це не просто ефектний експеримент, а доказ того, що природа здатна працювати ефективніше, ніж ми звикли думати. Хоча до практичного застосування ще далеко, відкриття вже змінює уявлення про те, як можуть рухатися атоми, енергія й інформація. Світ квантової фізики знову довів: навіть базові закони можуть мати винятки — якщо підібрати правильні умови.