Вчені побудували точну модель частині Сонячної системи всередині одного атома калію, роздутого до часток міліметра

Такий трюк дослідники виконали, щоб показати цікаві перетину між квантової і класичної фізикою. Уявлення про те, що електрони обертаються навколо ядра атома по чітким орбітах, немов кульки-планети навколо зірки, – застаріло. Квантова природа субатомних частинок та їх дуалізм (електрон – та частинка, і хвиля одночасно) призводять до того, що електрони ніби розмазуються навколо ядра і фізикам залишається міркувати тільки про ймовірність їх перебування у тому або іншому місці, описуючи частинки хвильовою функцією.

Однак, як виявилося, при певних умовах електрон можна змусити бігати навколо ядра майже як планету, тобто – локалізувати його, не порушуючи пов’язаності частин системи.

Експериментатори з університету Райса, Віденського технологічного американської національної лабораторії в Окриджі створили атом Ридберга, в якому електрон перебував у високозбудженому стані (на високому енергетичному рівні).

Далі за допомогою імпульсів електричного поля вчені змусили хвильову функцію електрона коллапсировать. Частка звернулася в локалізований хвильовий пакет, що зовні нагадує кому (це були кордону, де електрон може бути знайдений). В такому стані електрон продовжив звернення навколо ядра, але на дуже короткий час.

Фізики ж хотіли змусити його бігати по орбіті нескінченно, і так, щоб не порушувалася цілісність атома. Вчені приклали до атому обертове бездротовий електричне поле, передає PhysOrg.com. Поле захопило електрон локалізований (ту саму «кому») і змусило синхронно обертатися навколо ядра. Інший електричний імпульс дозволив зробити миттєву «фотографію» такої екзотичної системи.

 


«Троянський» хвильовий пакет, що обертається навколо ядра атома, немов група астероїдів-троянців (кадр Rice University).

Правда, ридберговский атом у момент аналізу руйнувався. Але об’єднавши дані по десяткам тисячам таких дослідів, фізики показали, що електрон локалізований веде себе в точності так само, як троянські астероїди Юпітера.

Останні знаходяться в точках Лагранжа на орбіті Юпітера, і всі разом формують дві коми (за формою схожі на локалізований хвильовий пакет), випереджаючі газовий гігант і відстаючі від планети в її шляху навколо Сонця.

І нехай поведінка астероїдів і планет описується класичною механікою, збіг тут далеко не випадково. Знаменитий датський фізик Нільс Бор ще в 1920 році зробив прогноз про відношення між законами руху Ньютона та квантовою фізикою.

«Бор передбачив, що квантовомеханическое опис фізичного світу для систем достатнього розміру буде збігатися з класичним описом, представленим ньютонівської механікою, — каже лідер групи дослідників Баррі Даннінга (Barry Dunning). — Бор також вказав на умови, при яких це відповідність можна було б спостерігати. Зокрема, такий збіг має виявлятися в атомах з дуже високим значенням головного квантового числа».

Саме це передбачення і підтвердили вчені. В їх дослідах головне квантове число електрона в ридберговском атомі становила від 300 до 600. «У таких збуджених станах атоми калію в сотні тисяч разів більше, ніж зазвичай, і схожі за розміром на крапку в кінці речення, — пояснює Даннінга. — Таким чином, вони є хорошими кандидатами для перевірки передбачення Бора».

Так само як хвильовий пакет в ридберговском атомі був захоплений комбінованим електричним полем ядра і зовнішніх хвиль, астероїди-троянці контролюються спільним гравітаційним полем Сонця і Юпітера, — продовжують проводити аналогію фізики.

 

 

Подробиці експерименту можна знайти у статті в Physical Review Letters. Надалі автори цієї роботи хочуть локалізувати відразу два електрони і змусити їх бігати навколо ядра як дві планети – кожна по своїй орбіті.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *