Физики-теоретики доказали невозможность создания нейтринного лазера
Физики-теоретики опровергли возможность создания нейтринного лазера. Две статьи, в полной мере расписывающие принципиальную неработоспособность казавшейся весьма заманчивой концепции, вышли в Physical Review Letters.
Предложивший идею нейтринного сверхизлучения профессор Джо Формаджо из Массачусетского технологического института (MIT) воспринял работу коллег спокойно.
«Когда появляется новая идея — например, та, что предложили мы, — долг научного сообщества — подвергнуть ее тщательной проверке. Что ж, так устроена наука. Отрадно, что наша статья породила множество размышлений, выходящих за рамки первоначальной концепции. Надеюсь, так будет и дальше», — говорит физик.
Идея нейтринного лазера состояла в охлаждении материи до состояния конденсата Бозе–Эйнштейна (БЭК), в котором атомы движутся синхронно, как единое квантово-коррелированное целое. Если в такой конденсат направить лазерный луч (обычный фотонный), атомы рассеяли бы его строго в одном направлении. И такая синхронность привела бы к экспоненциальному усилению излучения.
Формаджо с соавторами предложили охлаждать радиоактивные атомы, которые естественным образом испускают нейтрино при распаде. Для иллюстрации они описали сценарий, в котором облако радиоактивных атомов рубидия, охлажденное до БЭК, ускорило бы свой радиоактивный распад с периода полураспада 86 дней до одной минуты.
Никому еще не удавалось получить БЭК из радиоактивных атомов. Но если бы это было возможно, то теоретически такое квантовое состояние должно было бы порождать нейтринный лазер.
Нейтрино способны на многое — но не все
Профессору Вольфгангу Кеттерле эта идея казалась слишком хорошей, чтобы быть правдой. Кеттерле — ведущий специалист по конденсатам Бозе–Эйнштейна; он был одним из первооткрывателей этого явления в 1995 году, за что был удостоен Нобелевской премии по физике в 2001-м.
«Мой опыт показывает, что конденсат способен на удивительные вещи при низких энергиях — сверхтекучесть, вихри — и если бы мы разговаривали в комнате, заполненной конденсатом, голос достигал бы собеседника только через час. Вот насколько медленным бывает конденсат. Но я всегда приходил к выводу, что для любых бурных процессов, вроде ядерных реакций, конденсат ничего не даст», — подчеркивает нобелиат.
Проблема в огромной, по сравнению с фотонами, энергии нейтрино, объясняет он.
«Пока атом, получивший отдачу, остается в конденсате, он может сделать конденсат сверхизлучающим. Но когда нейтрино испускается с энергией в миллион электронвольт, атом разгоняется до скоростей, эквивалентных числу Маха 10, — быстрее, чем реактивный истребитель. Это настолько быстро, что атом почти мгновенно покидает систему», — отмечает профессор.
В первой статье авторы рассмотрели несколько возможных сценариев сверхизлучения атомов БЭК — и пришли к выводу, что ни в одном из них сверхизлучение невозможно: атом попросту улетает слишком быстро.
Законы физики запрещают
Во второй статье исследователи показали, что помимо невозможности из-за физического эффекта отдачи, концепция нейтринного лазера ошибочна и из-за фундаментальной природы самих нейтрино. Если допустить, что отдающий атом оставляет в конденсате квантовый отпечаток, этот отпечаток указывал бы не на то, что испускать следующим, а на то, чего испускать не следует. Иными словами, нейтрино летело бы куда угодно, только не в когерентном пучке. Такая противоположная память, или «антикорреляция», обусловлена тем, что нейтрино — это фермион, в отличие от фотонов, которые относятся к бозонам.
«В сверхизлучении ключевую роль играет эффект памяти, или квантовые корреляции в конденсате. И в этом контексте некоторые полагали, что неважно, испускается ли из конденсата бозон или фермион. Но мы провели анализ, и если корректно описать испускание фермионов, получается антипамять, которая не позволяет конденсату ускоряться в сверхизлучающем режиме. Скорее, у него возникает память о том, что этого делать не нужно», — объясняет Кеттерле.
Конечно, точку в таких спорах может поставить только эксперимент. «Может, когда-нибудь кто-то все же проведет его, — надеется Формаджо. — Природа, как всегда, остается окончательным судьей в таких вопросах. И тут я был бы не прав, если бы не отметил, что все предыдущие предсказания о нейтрино оказывались неверными. Единственное, что никогда не перестает удивлять физиков в нейтрино, — это их способность постоянно преподносить сюрпризы».
Сюрпризы возможны, допускает Кеттерле. «Но в случае с нейтринным лазером сюрприз оказался слишком хорош, чтобы быть правдой», — заключает он.
Поток нейтрино впервые отправят сквозь Землю на 1300 километров
Физики впервые запечатлели взаимодействие «свободных» атомов
