Оказалось, что такой конденсат обладает и другими необычными особенностями. Если сквозь него пропустить два лазерных луча со слегка разными энергиями и направлениями, то атомы, первоначально находившиеся в покое, поглощают фотон более высокоэнергетичного луча, а потом излучают фотон, соответствующий менее энергетичному лучу. Разница энергий идет на придание атому определенной скорости по направлению, совпадающему с равнодействующей направлений обоих пучков. Иными словами, под воздействием двух лазерных пучков все атомы конденсата приобретают одну и ту же – небольшую – энергию и начинают медленно двигаться, продолжая оставаться в одном и том же квантовом состоянии, или, как говорят, оставаясь «когерентными» (согласованными).
Атомный пучок готов. Исследователи выпускали его из магнитной ловушки небольшими порциями в другую магнитную ловушку с таким же натриевым конденсатом, атомы которого предварительно получали энергетическую «подкачку» точно так же, как специальные атомы в активной среде лазера. При прохождении пучка атомы второго конденсата вынужденно переходили из возбужденного состояния в промежуточное, излучая меньше энергии, чем поглотили, а за счет остатка энергии приобретали ту же скорость и в том же направлении, что атомы вошедшего пучка. Более того, они оказывались в том же квантовом состоянии, или, как говорят, приобретали ту же «фазу», то есть становились «когерентными» с ними. Присоединяясь к входящему пучку, они умножали его интенсивность (число атомов в нем), не меняя ни его когерентности, ни одного из других его исходных свойств.
Ученые из Bell Labs и Оксфордского университета придумали первые молекулярные моторы на основе ДНК. Они в сто тысяч раз меньше булавочной головки, зато компьютеры, созданные по схожей технологии, будут в тысячи раз мощнее нынешних.
Один из ведущих нанотехнологов Эрик Дрекслер
В нанотехнологии ученые имеют дело с объектами размером в нанометры, то есть миллиардные доли метра. Эта технология позволит, к примеру, создать процессоры с миллиардами транзисторов – в современных полупроводниковых их в тысячи раз меньше. Чем больше транзисторов в процессоре, тем он мощнее.
Одно из направлений работы – двигатели на базе ДНК. В молекулах ДНК, как в головоломке, все части соединены одним-единственным способом. Такие схемы идеальны для создания наноустройств; Ученые спроектировали части синтетической ДНК так, чтобы те опознавали друг друга на каждой стадии монтажа моторов. Так что в основе такой конструкции были лишь ДНК.
«Поскольку ДНК являются и «топливом» для этих моторов, они не нуждаются в других химикатах», – говорит физик Бернард Юрке из Bell Labs.
Обычно ДНК имеют вид двойной спирали – этакой перекрученной лесенки, поэтому ученые взяли для начала три одиночные спирали, каждая из которых напоминала половинку лестницы. Спираль А имела правильную структуру и соединялась со спиралями В и С – получались две «руки», АВ и АС. Если добавить «топливную» спираль, то эти руки «сцепляются», как щипцы. Снова открыть их можно, добавив другую спираль, которая совпадает с «топливной» и удаляет ее.
«Всю популяцию из тридцати триллионов щипчиков ДНК, притаившуюся в нескольких каплях раствора, можно последовательно открыть и закрыть, добавляя топливные спирали», – говорит Эндрю Терблфилж, еще один физик из Bell Labs.
По словам Бернарда Юрке, прототипом ДНК-моторов стали для него молекулярные белковые моторы в живых организмах, отвечающие за сокращение мышц и перемещение веществ в клетках.
Сейчас ученые лаборатории Белла пробуют присоединять к ДНК электропроводящие молекулы, чтобы собирать молекулярные электрические контуры.
Важно, что усиленный пучок атомов действительно согласован, то есть когерентен. Такие (и только такие) пучки можно применять в физических, геодезических и других сверхточных измерениях, основанных на принципе интерференции когерентных пучков. Видимо, здесь они и найдут свое применение, но для этого, как и в случае первых лазеров, понадобятся еще годы работы.
Пока же налицо выдающийся экспериментальный результат – реальное умножение атомов. И, как видите, без нарушения закона сохранения вещества.
И раз уж мы заговорили о кажущемся нарушении, а наделе – хитроумном использовании законов природы, расскажем еще об одном способе «запрягания» хаотически движущихся атомов в согласованную полезную работу – о создании так называемых броуновских молекулярных моторов. Они сходны с атомными умножителями в том, что тоже на первый взгляд нарушают некий закон природы, в данном случае второй закон термодинамики.
Когда-то, еще в позапрошлом веке, Джеймс Максвелл (тот, кто создал теорию электромагнитного поля) придумал мысленный эксперимент, как будто бы опровергающий второй закон даже в замкнутых системах. Вообразите себе закрытый яшик с внутренней перегородкой в нем, причем в ней сделана микроскопическая форточка, около кс/юрой дежурит столь же микроскопический демон, способный различать атомы и сортировать их по скорости.
Со временем в ящике должно произойти разделение атомов: все быстрые соберутся слева, медленные – справа, то есть в системе «само собой» произойдет увеличение порядка системы. Однако кавычки здесь не случайны. На самом деле, демон в силу своих микроразмеров и сам будет ощущать тепловые улары отдельных атомов, и, как показывает расчет, постепенное изменение его состояния в результате этих ударов в конечном счете с лихвой перекроет весь выигрыш в упорядоченности.
Опыт Максвелла – чисто учебный, методологический. Куда практичнее устройство того же рода, предложенное лет примерно через сто после Максвелла другим знаменитым физиком, Ричардом Фейнманом. В «опыте» Фейнмана микроскопических размеров зубчатое колесико, насаженное на одну ось с таких же размеров пропеллером, помещалось в водную среду. Колесико это могло вращаться только по часовой стрелке: вращению в противоположную сторону препятствовала этакая «собачка» – клинышек на пружинке, входивший между зубцами колеса. Поскольку лопасти пропеллера испытывали непрерывные удары атомов жидкости с разных сторон, эти удары должны были поворачивать колесико то в одну, то в другую сторону. Однако благодаря «собачке» результирующей всех этих ударов могло быть только вращение по часовой стрелке. И таким образом возникал вроде бы безупречный механизм превращения неупорядоченного, хаотического теплового движения атомов воды в непрерывное упорядоченное (только в одну сторону) вращение колеса. А поскольку колесико может при этом худо-бедно производить некую работенку, то все это устройство должно представлять собой к тому же еще и «вечный двигатель». Что бы это значило?
Фейнман сам разъяснил, где туг зарыта собака. В «собачке», конечно. Она и ее пружинка тоже ведь должны быть микроскопических размеров, а потому удары атомов на них также должны влиять. Суммарным итогом таких ударов как по пропеллеру, так и по пружинке окажется хаотическое дерганье колесика то в одну, то в другую сторону, и никакого нарушения второго закона термодинамики не произойдет. И «вечного двигателя» тоже не будет, поскольку при каждом очередном заскакивании «собачки» между зубцами пропеллер будет дергаться от этого удара и передавать его энергию в окружающую среду в виде тепла.