Kalio atomo viduje – Trojos asteroidai

Iki 1mm „išpūsto“ kalio atomo viduje fizikai suprojektavo tikslų Saulės sistemos fragmentą. Tokio triuko tyrėjai ėmėsi, siekdami pademonstruoti intriguojančias kvantinės ir klasikinės fizikos sąsajas, kurias XX a. pradžioje numatė dar Nilsas Boras (Niels Bohr).

Vaizdinys, jog elektronai aplink atomo branduolį sukasi tiksliomis orbitomis, nelyginant nanolygmens rutuliukai-planetėlės aplink žvaigždę, paseno. Kvantinė subatominių dalelių prigimtis ir jų dualumas (elektronas – vienu metu yra ir dalelė, ir banga) sąlygoja, jog elektronai erdvėje aplink atomo branduolį susilieja į sunkiai nusakomą ir įsivaizduojamą darinį, o fizikams belieka svarstyti apie tikimybę aptikti elektroną viename ar kitame tos erdvės taške.

Vis dėlto, kaip paaiškėjo, esant tam tikroms aplinkybėms elektroną galima priversti „bėgioti“ aplink branduolį beveik taip pat, kaip aplink savo žvaigždes „bėgioja“ planetos – kitaip tariant, elektroną įmanoma lokalizuoti, nepažeidžiant atomo sistemos dalių sąryšių.

Jungtinės Raiso universiteto (JAV), Vienos technologinio universiteto (Austrija) ir Okridžo nacionalinės laboratorijos (JAV) mokslininkų pajėgos ultravioletinių spindulių lazeriu sukūrė Ridbergo atomą (angl. – „Rydberg atom“) – atomą, kuriame elektronas energiniu požiūriu buvo itin sužadintas.

Elektrinio lauko impulsais mokslininkai nuslopino banginę elektrono funkciją – dalelė virto lokalizuotu bangos paketu, išoriškai primenančiu kablelį („kablelio“ pakraščiai žymėjo ribas erdvės, kurioje galima aptikti elektroną). Būdamas tokios būklės, elektronas sukosi aplink atomo branduolį, tiesa, labai trumpai.

O fizikai norėjo priversti jį „sukti ratus“ aplink atomą nuolatos – ir dar taip, jog pats atomas nebūtų suardytas. Kaip informuoja PhysOrg.com, tyrėjai atomą paveikė specifiniu elektriniu lauku, kuris pagavo lokalizuotąjį elektroną (minėtąjį „kablelį“) ir išprovokavo jį aplink atomo branduolį suktis sinchroniškai. Kitu elektriniu impulsu buvo užfiksuota momentinė tokios egzotiškos sistemos „fotografija“.

Tiesa, analizės metu Ridbergo atomas suirdavo. Tačiau sujungus dešimčių tūkstančių tokių bandymų duomenis, fizikai pademonstravo, jog lokalizuotas elektronas „elgiasi“ lygiai taip pat, kaip... Jupiterio trojėnai (Trojos asteroidai).

Trojėnai yra įsikūrę Jupiterio orbitos Lagranžo taškuose (juose nėra gravitacinio planetos poveikio), o visų jų kartu sudėtos trajektorijos sudaro du „kablelius“, kurie lenkia dujinę planetą ir nuo jos atsilieka maždaug puse Jupiterio kelio aplink Saulę.

Nors asteroidų ir planetų judėjimą aprašo klasikinė mechanika, sutapimas čia nėra atsitiktinis. Kvantinės fizikos pionieriumi laikomas legendinis danų fizikas Nilsas Boras dar 1920 m. numatė esant sąsajų tarp Niutono dėsnių ir kvantinės fizikos.

„N. Boras numatė, jog tam tikrų išmatavimų sistemoms taikoma kvantinė-mechaninė fizinio pasaulio samprata sutaps su klasikine Niutono mechanikos samprata, - tvirtina tyrėjų grupės vadovas Baris Daningas (Barry Dunning). – Maža to, N. Boras nurodė sąlygas, kurioms esant tokį atitikimą būtų galima stebėti. Pavyzdžiui, toks atitikimas turėtų pasireikšti atomuose su didele pagrindinio kvantinio skaičiaus (angl. – „principal quantum number“) reikšme.“

Būtent šią N. Boro įžvalgą ir patvirtino eksperimento autoriai. Jų bandymuose pagrindinis kvantinis elektrono skaičius Ridbergo atome siekė nuo 300 iki 600.

„Šitaip intensyviai sužadinti kalio atomai būna šimtus tūkstančių kartų didesni nei įprastai – savo dydžiu toks atomas prilygsta sakinio gale dedamam taškui, - aiškina B. Daningas. – Tokiu būdu jie tampa puikiais kandidatais patvirtinti N. Boro prognozes. Kitaip tariant, kaip Ridbergo atome bangos paketą užvaldo elektrinio branduolio lauko ir išorinių bangų derinys – taip Trojos asteroidus kontroliuoja bendras Saulės ir Jupiterio gravitacinis laukas.“

Išsamiau susipažinti su eksperimento eiga ir rezultatais galima „Physical Review Letters“ publikacijoje. Jos autoriai ateityje ketina pamėginti lokalizuoti ir priversti sukti ratus aplink branduolį išsyk du elektronus.