Противоречие в науката? Откриха нова форма на материята, възникваща при температура на атомите под абсолютната нула

Като доведоха облак от атоми до температура под абсолютната нула, известна като „отрицателна абсолютна“, физиците откриха, че атомите се намират в неизвестно досега квантово състояние. При тази температура атомите могат да се организират в специфични и сложни геометрични модели, наречени „решетки Кагоме“. Получената в резултат на това квантова материя може да бъде изцяло нова форма на материята.

През XIX в. лорд Келвин определя температурна скала, като заявява, че никоя материя не може да падне под абсолютната нула (0 Келвина или около -273,15 °C). По-късно обаче физиците откриват, че абсолютната температура на даден газ е пропорционална на средната енергия на съставящите го частици. Абсолютната температура е температурата, измерена от абсолютната нула, която съответства на състояние, при което частиците вече нямат кинетична енергия (и следователно са неподвижни). По-високата температура съответства на по-голяма кинетична енергия.

През 50-те години на миналия век обаче физиците откриват, че този принцип не винаги е верен, особено поради начина, по който енергията се разпределя между атомите. Абсолютната нула съответства на състояние, при което частиците имат минимална ентропия. За популация от атоми с положителна абсолютна температура само няколко от тях се движат с висока кинетична енергия, докато повечето имат ниски енергийни нива.

Когато обаче атомите са изложени на отрицателна абсолютна температура, това разпределение на енергията се обръща. С други думи, частиците с по-висока кинетична енергия стават по-многобройни от частиците с по-ниска енергия (максимална ентропия). Следователно частиците при отрицателни абсолютни температури имат повече енергия, отколкото частиците при положителни абсолютни температури. Парадоксално е, че първите са технически „по-горещи“ от вторите. Комбинацията от тези две явления води до пренос на енергия или топлина от първите (при отрицателни абсолютни температури) към вторите (при положителни абсолютни температури).

Изследвайки това странно състояние на частиците чрез манипулиране на техните енергийни нива и квантови състояния, учените от Университета в Кеймбридж откриха, че материята се намира в необичайно състояние. Според специалистите експериментът е станал възможен само благодарение на използването на принципите на квантовата механика, а не на термодинамиката. Работата им беше представена на 5-ти юни 2024 г. на годишната среща на Отдела по атомна, молекулярна и оптична физика на Американското физическо общество във Форт Уърт, Тексас.

Поведение, подобно на тъмната енергия?

В рамките на своя експеримент екипът от Кеймбридж поставя облак, съдържащ хиляди калиеви атоми, във вакуумна камера и след това ги излага на температури, близки до абсолютната нула. За целта изследователите са използвали лазери и магнитни полета. „Използваме неутрални атоми в оптични решетки като аналог на квантови симулатори“, обясняват те в своето изследване. Наред с другите неща, това им е дало възможност да контролират квантовите и енергийните състояния на атомите, за да ги доведат до абсолютно отрицателна температура.

Трябва да се отбележи, че същите изследователи вече са провели повече или по-малко подобен експеримент през 2013 г., като са използвали свръхстуден квантов газ, съставен от калиеви атоми. С помощта на лазери и магнитни полета отделните атоми са били подредени в решетка. При положителни абсолютни температури атомите се отблъскват един от друг, което прави конфигурацията нестабилна. За разлика от това, при отрицателни абсолютни температури (предизвикани чрез регулиране на магнитното поле) атомите се привличат един към друг, което прави системата по-стабилна.

„Това изведнъж премества атомите от най-малко стабилното им енергийно състояние до най-високото възможно енергийно състояние, преди да могат да влязат в реакция“, обяснява един от авторите на изследването, Улрих Шнайдер от Университета в Кеймбридж, в блог публикация в списание Nature. „Това е все едно да минеш през долина и веднага да се окажеш на върха на планина“,

добавя той.

Експертите стигнаха до заключението, че подобно състояние може да доведе до нова форма на материята.

В този смисъл технологията на новия експеримент е подобрена: атомите започват да се подреждат в сложни шестоъгълни и триъгълни модели, наречени Кагоме решетки (Kagome lattices). След това изследователите открили, че атомите могат да бъдат накарани да проявяват квантови състояния, в които енергията им идва от взаимодействието с други атоми. Изненадващо е обаче, че те нямат кинетична енергия.

Интересно е, че газът, изложен на отрицателна абсолютна температура, се държи подобно на тъмната енергия – хипотетична сила, за която се смята, че е отговорна, наред с други неща, за ускоряването на разширяването на Вселената и за противопоставянето на гравитационното привличане. В предишен експеримент Шнайдер и колегите му установиха, че атомите, които се привличат един към друг, нормално би трябвало да се влияят от гравитацията, но не се влияят поради стабилността, причинена от отрицателната абсолютна стойност. Като следваща стъпка изследователите планират да продължат да изследват точните свойства на тази нова материя.

Космолозите пресметнаха, че тъмната енергия съставлява около 68% от общата маса-енергия на наблюдаемата Вселена. Но авторите на една нова научна разработка са на мнение, че тези данни са занижени. Те считат, че тъмната енергия е около 76%. Направеният анализ също така показва, че разпределението на тъмната енергия е сравнително равномерно в пространството и времето.

Астрономите отдавна знаят, че Вселената се разширява. И през около 35 от тези години тя се разширява с ускорени темпове. Причината за това явление е някакъв вид тъмна енергия, чиято природа си остава мистерия. Новото изследване е още една крачка в разгадаването на тази особеност.