Новый рубеж в квантовом охлаждении
Физики, работающие на борту китайской космической станции «Тяньгун», достигли эквивалентной температуры 9,7 пикокельвина, что стало значительным достижением в области физики низких температур. Как сообщается в статье, опубликованной в престижном научном журнале Science 9 ноября 2026 года, эта температура примерно в 280 миллиардов раз ниже фонового космического излучения, заполняющего Вселенную. Это открытие побило предыдущие мировые рекорды, еще сильнее приближая человечество к теоретическому пределу абсолютного нуля, который, как и скорость света, является фундаментальным барьером, недостижимым в физической реальности.
Исследовательская группа, которую возглавили Сяоцзи Чжоу и Сюйцзун Чэнь из Пекинского университета, а также Вэйбяо Чэнь из Китайской академии наук, использовала уникальные условия микрогравитации для преодоления физических барьеров, ограничивающих процессы охлаждения на Земле. Работа в условиях орбиты позволила исследователям более эффективно создавать конденсаты Бозе — Эйнштейна — экзотическое состояние материи, в котором атомы сливаются в единую когерентную квантовую систему. В этом состоянии атомы перестают вести себя как отдельные частицы и начинают функционировать как единый квантовый объект, что позволяет ученым изучать квантовые явления на макроскопическом уровне.
Механика экстремального охлаждения
Достижение таких температур требует удаления тепловой энергии до тех пор, пока система практически не лишится движения. По мере приближения к абсолютному нулю сложность извлечения остаточной тепловой энергии возрастает экспоненциально. На Земле гравитация мешает процессу охлаждения, особенно при использовании метода испарительного охлаждения, при котором самые энергичные атомы покидают систему, унося с собой тепло, подобно тому, как остывает чашка кофе, когда молекулы пара улетают в воздух. В земных лабораториях гравитация неизбежно разрушает структуру конденсата, что ограничивает глубину охлаждения.
В ходе эксперимента на станции «Тяньгун» использовалось облако из 20 000 атомов рубидия-87, изотопа, идеально подходящего для лазерного охлаждения. Атомы удерживались в оптической ловушке внутри установки «Cold Atom Physics Rack». Поскольку в условиях орбиты отсутствует гравитационная помощь для удаления «горячих» атомов, исследователи применили инновационное решение: создание градиента магнитного поля, который имитировал эффект гравитации, позволяя наиболее энергичным атомам эффективно покидать ловушку. После того как атомы были охлаждены до 3,1 нанокельвина, их перенесли во вторую, более широкую лазерную ловушку, которую постепенно ослабляли, позволяя облаку расширяться и снижать энергию. После отключения ловушки атомы расширялись так медленно, что оставались доступными для наблюдения в течение семи секунд. Именно по скорости этого расширения ученые рассчитали эквивалентную температуру в 9,7 пикокельвина.
Научное значение и перспективы
Способность удерживать конденсаты Бозе — Эйнштейна при столь экстремально низких температурах открывает новые горизонты для фундаментальной физики. Это достижение имеет критическое значение для разработки сверхчувствительных квантовых сенсоров, которые могут использоваться для исследования законов Вселенной, включая обнаружение гравитационных волн и изучение природы темной материи. Более медленное расширение облака дает ученым больше времени для наблюдений и манипуляций, что делает измерения значительно точнее.
Ранее NASA достигло первого конденсата Бозе — Эйнштейна на орбите в 2018 году при температуре 100 нанокельвинов, а в 2021 году в Бременской башне сбрасывания в Германии был зафиксирован рекорд в 38 пикокельвинов. Нынешний результат в 9,7 пикокельвина подтверждает, что орбитальные платформы становятся важнейшими лабораториями для квантовых исследований. Использование космоса как площадки для экспериментов позволяет проводить процессы охлаждения с точностью и длительностью, недоступными в наземных условиях. Исследователи отмечают, что созданная ими «всеоптическая ультрахолодная платформа» отвечает строгим требованиям для квантового моделирования и прецизионной метрологии будущих космических миссий. Это открывает путь к проверке принципа эквивалентности — идеи о том, что гравитация действует на все объекты одинаково, независимо от их состава. Таким образом, работа на «Тяньгун» знаменует переход к использованию космоса как первичной базы для изучения квантовых состояний материи, позволяя ученым продвинуться в понимании фундаментальных законов мироздания, которые остаются скрытыми в обычных условиях из-за гравитационных помех.
Эксперимент подчеркивает, что развитие квантовых технологий в условиях микрогравитации является ключом к преодолению барьеров, которые считались непреодолимыми в течение десятилетий. Ученые продолжат использовать эту платформу для изучения экзотических состояний вещества, которые невозможно стабильно поддерживать на Земле из-за постоянного воздействия земного притяжения, разрушающего хрупкие квантовые связи внутри конденсатов.