6.10 Конденсация Бозе–Эйнштейна и сверхтекучесть

Главная ／ Глава 6: Квантовая область

I. Явления и возникающие вопросы

При сильном охлаждении ансамбль бозонных объектов перестаёт вести себя разрозненно и коллективно занимает один квантовый уровень — возникает выровненный по фазе «ковёр». Экспериментальные признаки: две независимые конденсатные облака при совместном выпуске дают чёткие интерференционные полосы; в кольце жидкость течёт без сопротивления сколь угодно долго; при мягком перемешивании вязкость почти отсутствует, а при превышении порога внезапно рождаются квантованные вихри. Отсюда вопросы: почему холодная жидкость почти не трётся, почему скорость принимает лишь квантованные значения и почему сосуществуют «нормальная» и «сверхтекучая» компоненты?

II. Интерпретация в Теории энергетических нитей (EFT): фиксация фазы, закрытие каналов, квантованные дефекты

В Теории энергетических нитей (EFT) устойчивые структуры — атомы или спаренные электроны — образуются из переплетений нитей: внешние слои связаны с энергетическим морем (Energy Sea), а внутренний «ядро» хранит собственный ритм. Если суммарный спин целый, коллективное движение подчиняется бозонным правилам и фазы когерентно складываются. При достаточном охлаждении доминируют три механизма:

• Фиксация фазы: «текучий ковёр»
  По мере падения температуры ослабевает фоновый шум напряжённости (TBN) — фазу меньше «растряхивают». Соседи выравнивают фазу внешних оболочек и спаивают их в общую сеть, то есть в ковёр. Стоимость коллективного потока резко падает, как будто движение идёт по особенно гладкому напряжённостному коридору.
• Закрытие каналов: вязкость рушится
  Обычная вязкость — это утечка энергии во внешнюю среду через микрорябь. Ковёр подавляет такие каналы: возмущения, ведущие к декогеренции, коллективно отражаются или вовсе не допускаются. Поэтому при малом приводе сопротивление почти исчезает; при росте расхода или сдвига сеть рвётся локально и открываются новые пути диссипации.
• Квантованные дефекты: появляются вихри
  Ковёр нельзя скручивать как угодно. Под нагрузкой он уступает лишь через топологические дефекты. Канонический дефект — квантованный вихрь: нитевидное низкоимпедансное ядро, вокруг которого фаза обходит один, два, три… целых оборота. Целое число обеспечивает однозначность фазы. Рождение и аннигиляция вихрей становится основным каналом потерь сверхпотока.
• Две компоненты — естественным образом
  При ненулевой температуре часть объектов остаётся «незашитой» фазой, обменивается энергией с окружением и образует нормальную компоненту; ковёр — это сверхтекучая компонента. Получается модель «двух жидкостей»: одна переносит почти без потерь массу, другая — тепло и вязкость. Чем ниже температура, тем больше доля сверхтекучей части.

Пояснение границы понятий: в EFT калибровочные бозоны (фотоны, глюоны) — это распространяющиеся пакеты волн в море, тогда как конденсация атомов — фиксация фазы устойчивых переплетений. Статистика общая (бозонная), «материал» различен: рябь поля против коллективных степеней свободы внешних слоёв.

III. Характерные сценарии: от гелия к холодным атомам

• Сверхтекучий гелий
  Для гелия-4 наблюдают фонтанный эффект, «ползучесть» по стенкам без вязкости и решётки вихрей. Взгляд EFT: ковёр покрывает объём; при медленном приводе каналы утечки в море почти закрыты, пока не вынуждена генерация вихрей.
• Разреженные конденсаты холодных атомов
  Щёлочные газы в магнито-оптических ловушках конденсируются; при выпуске два независимых конденсата, перекрываясь, дают чёткие полосы. Взгляд EFT: кромки двух ковров выравниваются — полосы отражают согласование фаз, а не столкновения отдельных атомов.
• Кольцевые ловушки и постоянные токи
  В кольцах циркуляция живёт очень долго. Взгляд EFT: число обвитий замкнутого ковра фиксировано; лишь привод выше порога вихреобразования переводит систему на следующий целочисленный уровень.
• Критическая скорость и препятствия
  Медленно тянутая «оптическая ложка» не оставляет следа; выше порога возникает вихревая улица, и вязкость растёт. Взгляд EFT: при малом приводе каналы закрыты; при большом ковёр рвётся, дефекты выходят и уносят энергию.
• Двумерные плёнки и парность вихрей
  В 2D вихри связываются с анти-вихрями; нагрев выше порога разрывает пары и разрушает порядок. Взгляд EFT: ковёр в 2D допускает лишь парные дефекты; распад пар рушит фазовую сеть.

IV. Наблюдаемые «отпечатки»

• Интерференция: перекрытие конденсатов даёт стабильные полосы; их фаза сдвигается вместе с глобальной разностью фаз.
• Почти безвязкое течение: при малом приводе зависимость давление–расход почти без потерь, перепад давления не накапливается.
• Квантованные вихри: при вращении или сильном перемешивании образуются решётки; число пропорционально частоте, размер ядра имеет характерный масштаб.
• Критические скачки: превышение пороговой скорости резко увеличивает диссипацию и нагрев.
• Двухкомпонентный транспорт: тепловой и массовый потоки могут разобщаться; появляется второй звуковой режим — «энтропийная» волна.

V. Сверка с мейнстрим-описанием

Стандартный язык оперирует макроскопической волновой функцией (параметром порядка) для ковра: скорость — это градиент фазы; при малых скоростях нет возбуждаемых переносчиков энергии — значит, нет потерь. Критическая скорость определяется возможностью возбуждать вихри и фононы. Подход EFT добавляет «вещественную» картину: ослабление фонового шума напряжённости (TBN) позволяет зафиксировать фазы в общую сеть; при малом приводе каналы утечки закрыты; при сильном приводе они открываются в виде квантованных дефектов. Оба описания согласуются по наблюдаемому и масштабам, но делают акцент на разных субстратах — геометрия и волны против нитей и моря.

VI. В заключение

Конденсация Бозе–Эйнштейна и сверхтекучесть — не «чудачества экстремального холода», а следствие фазового ковра, охватывающего масштабы. Этот ковёр ведёт поток по самым гладким напряжённостным коридорам и держит каналы потерь закрытыми при малых приводах; при сильном воздействии он уступает через квантованные вихри — и начинается диссипация.
Коротко: фаза стелет ковёр и закрывает каналы; сильный привод рождает дефекты — за ним следует диссипация.