Όλα όσα θα θέλατε να μάθετε για τη συμπύκνωση Bose-Einstein
Μέρος 1ο. Τi είναι η συμπύκνωση Bose-Einstein

Άρθρο, Ιούνιος 2002

Μέρος 1ο : Τi είναι η συμπύκνωση Bose-Einstein
Μέρος 2ο : Ψύξη με Laser
Μέρος 3ο : Παγίδευση με Laser και Οπτικές Μολάσσες
Μέρος 4ο : Μαγνητικές Παγίδες
Μέρος 5ο : Ψύξη με εξάτμιση
Μέρος 6ο : Πως μοιάζει ένα BEC;

ΕΡΩΤΗΣΗ :Εχω ακούσει πολλά για τη συμπύκνωση Bose-Einstein αλλά ακούγονται πολύ παράξενα και μυστηριώδη. Τι είναι λοιπόν αυτή στην πραγματικότητα και πως άρχισαν να την σκέπτονται.

ΑΠΑΝΤΗΣΗ:Νωρίς κατά τη δεκαετία του 1920 ο Satyendra Nath Bose μελετούσε τη νέα ιδέα εκείνου του καιρού ότι το φως αποτελείται από μικρά διακριτά πακέτα που σήμερα τα ονομάζουμε κβάντα φωτός ή φωτόνια. Ο Bose υπέθεσε μερικούς κανόνες για ν' αποφασίζει πότε δύο φωτόνια θα μετρούνται ως ξεχωριστά ή ως ένα πακετάκι. Σήμερα αποκαλούμε αυτούς τους κανόνες "στατιστική Bose" ή άλλοτε στατιστική Bose-Einstein.

ΕΡΩΤ. : Και πως υπεισέρχεται το όνομα του Einstein στην υπόθεση αυτή;

ΑΠΑΝΤ. : Ο Bose είχε δυσκολίες να κάνει τους ανθρώπους να πιστέψουν τις ιδέες του και να τις  δημοσιεύσει στα  επιστημονικά περιοδικά της εποχής του, κι έτσι τις έστειλε στον Einstein. Του Einstein του άρεσαν, και καθώς ήταν ένας πολύ σπουδαίος επιστήμονας, χρησιμοποίησε την επιρροή του για να δεχτούν τα περιοδικά να τις δημοσιεύσουν.

ΕΡΩΤ. : Όλο κι όλο λοιπόν που έκανε, ήταν να ασκήσει την επιρροή του για την δημοσίευση, κι έτσι οι ιδέες αυτές πήραν και το όνομά του;

ΑΠΑΝΤ. : Όχι, στην πραγματικότητα έκανε κάτι ακόμα πολύ σημαντικό. Ο Einstein μάντεψε ότι οι ίδιες αρχές μπορούσαν να εφαρμοστούν και στα άτομα. Επεξεργάστηκε λοιπόν την θεωρία, πως θα συμπεριφέρονταν τα άτομα σ' ένα αέριο αν ίσχυαν αυτοί οι νέοι κανόνες. Αυτό που κατέληξε ήταν ότι οι εξισώσεις προέβλεπαν πως δεν θα υπήρχε σημαντική διαφορά από την συνήθη συμπεριφορά των αερίων, παρά μόνο στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Αν τα άτομα ήταν αρκετά ψυχρά, κάτι πολύ ασυνήθιστο υποτίθεται ότι συμβαίνει. Ήταν τόσο παράξενο που ακόμη και ο ίδιος δεν ήταν σίγουρος ότι ήταν σωστό.

ΕΡΩΤ. : Νόμιζα ότι ο Einstein ήταν πάντα σωστός.

ΑΠΑΝΤ. : Όχι σ' αυτήν την περίπτωση. Ήταν μόνο κατά το ήμισυ σωστός ή ίσως και ακόμα λιγότερο. Πρώτον, δεν ακολουθούν όλα τα άτομα τους κανόνες του Bose. Όμως μερικά είδη ατόμων τους ακολουθούν, και γι' αυτά οι προβλέψεις του Einstein ήταν σωστές. Αλλά ακόμη και γι αυτά τα είδη ατόμων, ο Einstein δεν αναγνώρισε τα σημαντικά φαινόμενα που προέβλεπαν οι εξισώσεις του.

ΕΡΩΤ. : Αν δεν μπόρεσε να τα δει ο Einstein, πρέπει να ήταν πραγματικά δύσκολο να γίνουν αντιληπτά. Ποια ήταν αυτά, και πως τα εντόπισε κάποιος άλλος; 

ΑΠΑΝΤ. : Τα φαινόμενα αυτά απορρέουν από το γεγονός ότι, στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα περισσότερα από τα άτομα βρίσκονται στην ίδια κβαντική στάθμη.

ΕΡΩΤ. : Τι σημαίνει η έκφραση: στην ίδια κβαντική στάθμη;  

ΑΠΑΝΤ. :Θυμήσου ότι στο σχολείο μαθαίνουμε πως τα  ηλεκτρόνια ενός ατόμου μπορούν να έχουν μόνο συγκεκριμένες ενέργειες, τις οποίες αποκαλούμε κβαντικές ενεργειακές στάθμες. 

ΕΡΩΤ. : Με κάποια ασάφεια βέβαια, νομίζω ότι το θυμάμαι.

ΑΠΑΝΤ. : Αν τοποθετήσουμε ένα άτομο, οποιουδήποτε είδους σε ένα δοχείο, ακόμη και σε μια λεκάνη του μίξερ, το άτομο αυτό μπορεί να έχει μόνο ορισμένες διακριτές ενεργειακές στάθμες. Δεν μπορεί να κινείται μέσα στο δοχείο με οποιαδήποτε ταχύτητα. Πρέπει να επιλέξει μεταξύ ενός καθορισμένου συνόλου επιτρεπόμενων ενεργειακών καταστάσεων. 

ΕΡΩΤ. : Αυτό που λέτε δεν έχει νόημα. Μπορώ να βάλλω μια μπίλια να κυλάει σε μια λεκάνη, με οποιαδήποτε ταχύτητα θέλω εγώ. Που βρίσκονται λοιπόν οι διακριτές στάθμες ενέργειας;

ΑΠΑΝΤ. : Είναι τόσο κοντά η μια με την άλλη, ώστε ποτέ δεν θα αντιληφθεί μακροσκοπικά κάποιος ότι απέχουν μεταξύ τους. Αυτό που πρόβλεψαν οι εξισώσεις του Einstein ήταν ότι στις συνηθισμένες θερμοκρασίες τα άτομα βρίσκονται σε πολλές διαφορετικές στάθμες. Όμως σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ένα πολύ μεγάλο κλάσμα των ατόμων θα βρεθεί ξαφνικά στην χαμηλότερη από αυτές τις ενεργειακές στάθμες. Το παρακάτω παράδειγμα δείχνει ένα μοντέλο των ατόμων μέσα σε μια λεκάνη, όπου οι διαφορές των ενεργειακών σταθμών έχουν σκόπιμα απεικονιστεί σε μεγάλη μεγέθυνση.

ΑΠΑΝΤ. : Το γεγονός της συσσώρευσης των ατόμων στον πυθμένα της λεκάνης και συνεπώς στην χαμηλότερη δυνατή ενέργεια, είναι αυτό που αποκαλούμε συσσώρευση Bose-Einstein, και είναι αυτή που προβλέπεται από τις εξισώσεις που περιγράφουν την πιθανότητα κατάληψης των ενεργειακών σταθμών σε συνάρτηση με την θερμοκρασία. "Τι ακριβώς σημαίνει αυτό;" είναι μια ερώτηση που θα μπορούσε να είχε θέσει ο Einstein, αλλά όμως δεν το έκανε. Δεν μπόρεσε ν' αναγνωρίσει πόσο παράξενη θα ήταν μια κατάσταση στην οποία όλα τα άτομα θα βρίσκονταν στο ίδιο ενεργειακό επίπεδο. Σημαίνει πραγματικά ότι όλα τα άτομα είναι απολύτως όμοια. Δεν υπάρχει καμιά μέτρηση με την οποία θα μπορούσαμε να τα ξεχωρίσουμε.

ΕΡΩΤ. : Εγώ όμως μπορώ απλά να κοιτάξω και να δω τις διαφορετικές μαύρες κουκίδες που παριστάνουν τα διάφορα άτομα. Πως μπορούν λοιπόν αυτά να ταυτίζονται;

ΑΠΑΝΤ. : Τώρα βλέπεις λοιπόν γιατί πήρε τόσο χρόνο στους
ανθρώπους μέχρι να καταλάβουν τι σήμαινε πραγματικά η συμπύκνωση Bose-Einstein (BEC). Τα άτομα πραγματικά βρίσκονται στην ίδια θέση, αλλά αυτό αντιφάσκει προς την συνηθισμένη εμπειρία μας. Μόνο στις πάρα πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, οι οποίες είναι απαραίτητες για την BEC, τα άτομα χάνουν την ιδιαίτερη ταυτότητά τους και συγκεντρώνονονται σε ένα συμπύκνωμα. Μερικοί άνθρωποι αποκαλούν αυτή την κατάσταση ένα super άτομο, ακριβώς για τον λόγο αυτόν.

Η ιδέα του άρθρου, βρίσκεται σε ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου Colorado.