Ронять высокоточные приборы, как правило, нежелательно — в результате такого обращения они нередко перестают работать. Однако именно это сделали исследователи из Института Макса Планка, отправив свою лабораторную установку в свободное падение с башни Бременского университета.

Физики собираются использовать конденсат Бозе-Эйнштейна в условиях микрогравитации для создания высокоточных приборов, измеряющих гравитационное поле Земли. Это позволило бы решить целый ряд задач — от поиска полезных ископаемых до фундаментальных физических исследований.

В вакууме перо падает с той же скоростью, что и свинцовый мяч — факт, который дается школьникам как неопровержимый. Однако принцип эквивалентности — лишь постулат, который до сих пор нуждается в проверке. Ученые хотят создать прибор, который измерил бы гравитацию с крайне высокой точностью, и проверить, может ли эта гипотеза действительно быть признана физическим законом.

Исследователи вызвали образование Бозе-Эйнштейновского конденсата (БЭК) и наблюдали его поведение в условиях свободного падения более, чем секунду. Для этого они поместили магнитооптическую ловушку в цилиндрическую капсулу длиной 2,15 и диаметром 1,2 метра. После «загрузки» в ловушку нескольких миллионов атомов рубидия, установка была сброшена с высоты 146 м. Башня в Центре прикладных космических технологий и микрогравитации (Center of Applied Space Technology and Microgravity) Бременского университета как раз используется для подобных экспериментов.

За те четыре секунды, пока капсула падала, исследователи с помощью дистанционного управления вызвали образование БЭК: сильные магнитные поля и лазеры, удерживая частицы в ловушке, охладили их до температуры, всего на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Потеряв практически всю свою энергию, частицы перешли в единое квантово-механическое состояние и стали вести себя как одна квантовая частица.

Магнитооптическая ловушка, использованная в эксперименте («атомный чип») создает БЭК менее, чем за секунду (тогда как на обычной лабораторной установке на это уходит около минуты). К тому же, «атомный чип» требует для перевода частиц в состояние БЭК гораздо меньше энергии.

Как только атомы в капсуле перешли в единое квантово-механическое состояние, исследователи осторожно выпустили БЭК из ловушки. Камеры, помещенные в капсулу, позволили им наблюдать его поведение. Движение БЭК крайне чувствительно реагирует на воздействие внешних полей — например, различия в гравитационном поле Земли. Эти различия существуют, в частности, благодаря тому, что земная кора неоднородна по плотности на различных участках её поверхности. Чем дольше БЭК расширяется в условиях микрогравитации, тем отчетливее видно влияние внешних полей на его поведение.

Поскольку каждая частица может рассматриваться как волна, результаты влияния внешних полей на БЭК могут быть измерены с помощью атомного интерферометра. Квантовый газ разделяется на две части и движется в гравитационном поле двумя разными «путями» в пространстве-времени. Гравитация ведет себя подобно оптической среде, преломляющей волны материи. Как только их «пути» пересекаются, возникает интерференция. Интерференционная картина зависит от характера расширения каждой из волн материи. Чтобы выполнить проверку принципа эквивалентности, нужно сопоставить волны материи различного состава.

Ученые планируют создать подобный атомный интерферометр и применить его для записи результатов эксперимента на башне в Бремене. Физики также хотели бы провести подобное исследование в космосе, ведь чем дольше конденсат Бозе-Эйнштейна остается в невесомости, тем больше шансов выяснить, действительно ли все тела падают в вакууме с одинаковой скоростью.

По пресс-релизу Max Plank Society