Гравитация исчезла, а материя замерла: в башне в Бремене случилось невозможное

В Бремене, среди строгих силуэтов технопарка, возвышается необычное сооружение — башня свободного падения Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM). Эта строгая 146-метровая конструкция стала ареной для уникального физического эксперимента, который едва ли можно было бы провести где-либо ещё на Земле. Именно здесь в 2018 году было зафиксировано нечто поразительное: абсолютный рекорд холода — температура, близкая к абсолютному нулю.

Погоня за абсолютной тишиной материи

В августе 2018 года исследовательская капсула, созданная учеными ZARM в партнерстве с рядом немецких вузов и космических агентств, была сброшена в вакуумной трубе башни. Во время почти десятисекундного свободного падения внутри капсулы произошло формирование Бозе-Эйнштейновского конденсата (БЭК) — пятого состояния вещества, когда атомы сливаются в одно квантовое целое и ведут себя как одна частица.

Температура внутри этого облака опустилась до поразительных 38 пикокельвинов — это всего 0,000000000000000000038 Кельвина выше абсолютного нуля. Холоднее, чем даже в самых ледяных уголках космоса, например, в туманности Бумеранг, где температура составляет около -272,15°C.

"Мы создали систему, в которой материя почти перестала вибрировать. Это не просто лаборатория, это микроскопическая остановка времени", — отметил один из участников проекта, физик ZARM.

Как работает невесомость на Земле

Отключить гравитацию невозможно, но её можно обмануть — с помощью свободного падения. Это хорошо известно тем, кто хотя бы раз прыгал в воду с вышки. В башне ZARM всё устроено намного сложнее: воздух полностью откачивается, создавая вакуум, а капсула запускается катапультой, что позволяет удвоить время "невесомости" — с 4,75 до 9,5 секунд.

В эти драгоценные секунды ученые успевают проводить эксперименты, которые в обычных лабораториях невозможны: под действием гравитации БЭК существует доли секунды, в башне же его удалось удерживать 2 секунды — в 90 раз дольше.

"Это окно — как замедленный кадр в физике. Оно позволяет наблюдать фундаментальные процессы материи в необычных условиях", — подчеркнул доктор из команды QUANTUS, партнёра проекта.

Космос внутри капсулы

Самое удивительное — рекордная температура стала лишь побочным продуктом. Главная цель эксперимента заключалась в том, чтобы создать максимально стабильное облако атомов с минимальной скоростью распространения. БЭК идеально подходит для таких задач, а значит, может быть использован в высокоточных измерениях и навигационных системах будущего.

"Такие квантовые газы — ключ к следующему поколению приборов, способных измерять силу гравитации, время или даже дрейф материи с немыслимой точностью", — прокомментировал представитель Института имени Макса Планка.

Исследования в башне уже нашли отклик в международных научных кругах. Более того, тот же тип БЭК был позже наблюдён на борту МКС, где удалось зафиксировать его существование в течение одной секунды. Ученые предполагают: если перенести технологию с Земли в космос, то в условиях орбиты можно будет удерживать БЭК до 17 секунд.

Кто стоит за экспериментом

Над проектом работала объединённая команда специалистов из Центра ZARM, Немецкого аэрокосмического центра, университетов имени Лейбница в Ганновере, Гумбольдта в Берлине и Гутенберга в Майнце. Совместно им удалось реализовать одну из самых амбициозных задач современной физики.

И хотя результат не был главной целью эксперимента, именно он вошёл в историю. По мнению ученых, созданное ими облако стало самым холодным местом во Вселенной — и это достижение было сделано не где-нибудь в глубинах космоса, а в научной капсуле, сброшенной с вершины башни в центре Бремена.