Fizyka statystyczna Gaz Bosego w wielkim zespole kanonicznym. P. F. Góra

Podobne dokumenty
Fizyka statystyczna Zwyrodniały gaz Fermiego. P. F. Góra

Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego: kondensacja Bosego- Einsteina

Fizyka statystyczna Zespół kanoniczny i wielki zespół kanoniczny Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Wykład 12. Rozkład wielki kanoniczny i statystyki kwantowe

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Rzadkie gazy bozonów

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Wielki rozkład kanoniczny

Fizyka statystyczna. This Book Is Generated By Wb2PDF. using

Zadania z Fizyki Statystycznej

Fizyka statystyczna Teoria Ginzburga-Landaua w średnim polu. P. F. Góra

Układy statystyczne. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Termodynamiczny opis układu

Przegląd termodynamiki II

FIZYKA STATYSTYCZNA. d dp. jest sumaryczną zmianą pędu cząsteczek zachodzącą na powierzchni S w

Wielki rozkład kanoniczny

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Rozdział 22 METODA FUNKCJONAŁÓW GĘSTOŚCI Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Krótki przegląd termodynamiki

Fizyka statystyczna Termodynamika bliskiej nierównowagi. P. F. Góra

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

Cząstki Maxwella-Boltzmanna (maxwellony)

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

1 Rachunek prawdopodobieństwa

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

n p 2 i = R 2 (8.1) i=1

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

ELEMENTY FIZYKI STATYSTYCZNEJ

Termodynamika Część 3

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

II. POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ W JĘZYKU WEKTORÓW STANU. Janusz Adamowski

Zespół kanoniczny N,V, T. acc o n =min {1, exp [ U n U o ] }

Elementy fizyki statystycznej

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

Stara i nowa teoria kwantowa

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

Mechanika kwantowa Schrödingera

Wstęp do astrofizyki I

3 Potencjały termodynamiczne i transformacja Legendre a

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

Postulaty mechaniki kwantowej

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

Czym jest prąd elektryczny

Fizyka statystyczna Potencjały termodynamiczne i warunki równowagi Geometria Drugiej Zasady Termodynamiki

Wykłady z Mechaniki Kwantowej

Agata Fronczak Elementy fizyki statystycznej

Fizyka statystyczna Zerowa Zasada Termodynamiki. P. F. Góra

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Wykład FIZYKA I. 15. Termodynamika statystyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Klasyczna mechanika statystyczna Gibbsa I

Podstawy fizyki sezon 1 X. Elementy termodynamiki

Ogólny schemat postępowania

Elektrostatyka, cz. 1

Kondensacja Bosego-Einsteina

Rozważmy nieustalony, adiabatyczny, jednowymiarowy ruch gazu nielepkiego i nieprzewodzącego ciepła. Mamy następujące równania rządzące tym ruchem:

Elementy termodynamiki

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Wykład 8 i 9. Hipoteza ergodyczna, rozkład mikrokanoniczny, wzór Boltzmanna

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Wstęp do Modelu Standardowego

Występują fluktuacje w stanie równowagi Proces przejścia do stanu równowagi jest nieodwracalny proces powrotny jest bardzo mało prawdopodobny.

V. RÓWNANIA MECHANIKI KWANTOWEJ

po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Program MC. Obliczyć radialną funkcję korelacji. Zrobić jej wykres. Odczytać z wykresu wartość radialnej funkcji korelacji w punkcie r=

Podstawy termodynamiki

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

Spis treści. Przedmowa Obraz makroskopowy Ciepło i entropia Zastosowania termodynamiki... 29

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Wykład 7: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Transkrypt:

Fizyka statystyczna Gaz Bosego w wielkim zespole kanonicznym P. F. Góra http://th-www.if.uj.edu.pl/zfs/gora/ 2016

Operator gęstości W przypadku klasycznym chcieliśmy znać gęstość stanów układu. W przypadku kwantowym pojęcie gęstości stanów zastępujemy pojęciem operatora gęstości. Przypuśćmy, że układ jest opisywany przez poprawnie znormalizowana funkcję falowa ψ. Stwórzmy operator Posiada on następujace własności: 1. Jest hermitowski. ˆϱ = ψ ψ. (1) 2. Jest dodatnio określony: Dla dowolnego stanu φ φ ˆϱ φ = φ ψ ψ φ = ψ φ 2 0. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 2

3. Tr ˆϱ = 1. Istotnie, niech { f i } tworza unormowana bazę w przestrzeni Hilberta. Wówczas ψ = i f i f i ψ i dalej = i Tr ˆϱ = i f i ˆϱ f i = i i f i ψ ψ f i ψ f i f i ψ = ψ f i f i ψ = ψ ψ = 1. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 3

Uogólniajac powyższe własności 1,2,3, każdy operator ˆϱ hermitowski, dodatnio określony i o śladzie równym 1 (Tr ˆϱ = 1) nazywam operatorem gęstości lub krótko stanem. Skoro operator gęstości jest hermitowski (własność 1), jego wektory własne tworza bazę ortonormalna. W tej bazie operator gęstości jest diagonalny, a jego wartości własne, które sa nieujemne (własność 2) i sumuja się do jedności (własność 3), można traktować jako pewien rozkład prawodpodobieństwa: Sa to mianowicie prawdopodobieństwa tego, że układ jest w odpowiednim stanie bazowym operatora gęstości. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 4

Wartość oczekiwana Niech Ô będzie pewnym operatorem hermitowskim. Wartość oczekiwana tego operatora w stanie ψ liczymy jako Ô = ψ Ô ψ = ψ Ô f i f i ψ i f i ψ ψ Ô f i = Tr ( ψ ψ Ô ) = i Kontytuujac zaproponowane uogólnienie, jeśli ˆϱ jest dowolnym operatorem gęstości, wartość oczekiwana operatora Ô w stanie ˆϱ przyjmujemy jako Ô = Tr (ˆϱ Ô ). (2) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 5

Równanie Liouville a Jak opisać ewulucję czasowa operatora ψ ψ? Korzystamy z równania Schrödingera i t ψ = Ĥ ψ (3) gdzie Ĥ jest hamiltonianem, a wobec tego ( ) t ( ψ ψ ) = t ψ ψ + ψ ( ) t ψ = i Ĥ ψ ψ + i ψ ψ Ĥ (4) gdzie skorzystaliśmy z hermitowskości hamiltonianu. Ostatecznie i t ( ψ ψ ) = Ĥ ψ ψ ψ ψ Ĥ = [ Ĥ, ψ ψ ]. (5) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 6

Jak poprzednio, uogólniamy to równanie i powiadamy, że ewolucja czasowa operatora gęstości dana jest równaniem i ˆϱ t = [ Ĥ, ˆϱ ]. (6) Równanie (6) jest kwantowomechanicznym odpowiednikiem klasycznego równania Liouville a ϱ = {ϱ, H}, (7) t gdzie ϱ jest gęstościa stanów w przestrzeni fazowej, a {,} jest nawiasem Poissona. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 7

Przypadek klasyczny Na poprzednim wykładzie widzieliśmy, że suma statystyczna i wielka suma statystyczna w przypadku klasycznym wyrażaja się wzorami Z N = Z N (V, T ) = Ξ = Ξ(V, T, µ) = d 3N p d 3N q N! h 3N e βh(p,q), (8a) N=0 e Nβµ Z N (V, T ). Termodynamikę uzyskujemy, odpowiednio, ze wzorów (8b) F = k B T ln Z N (V, T ) (9a) F = Nµ k B T ln Ξ(V, T, µ) (9b) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 8

Przypadek kwantowy Przez analogię z przypadkiem klasycznym, w przypadku kwantowego zespołu kanonicznego powiadamy, że operatorem gęstości jest ˆϱ = e βĥ (10a) Ĥ jest (kwantowym) hamiltonianem układu. Dla wielkiego zespołu kanonicznego bierzemy ˆϱ = e β(ĥ µ ˆN) (10b) gdzie ˆN jest operatorem liczby czastek. Można pokazać, że operatory (10) sa poprawnie zdefiniowanymi operatorami gęstości: sa hermitowskie, dodatnio określone, a ich ślady sa równe jeden. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 9

Termodynamikę w każdym wypadku uzyskujemy wyliczajac ślad operatora gęstości Z N = Tr e βĥ lub Ξ = Tr e β(ĥ µ ˆN) (11) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 10

Stany czyste i mieszane Operator (1) ma jeszcze jedna własność: Otóż dla tego operatora ˆϱ 2 = ˆϱ. (12a) Tej własności nie żadamy. Dopuszczamy, aby w ogólności ˆϱ 2 ˆϱ. (12b) Dlaczego nie żadamy tej własności? Wyobraźmy sobie, że pewien układ i jego otoczenie sa opisywane przez pewna funkcję falowa, a więc odpowiadajacy jej operator gęstości ˆϱ tot ma własność (12a). Jeśli jednak utworzymy zredukowany operator gęstości, eliminujac stopnie swobody otoczenia ˆϱ red = Tr ot ˆϱ tot (13) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 11

będzie on operatorem gęstości (posiada własności 1,2,3), ale nie ma gwarancji, że posiada własność (12a): w ogólności zachodzi własność (12b). Stany, które spełniaja (12a), nazywamy stanami czystymi. Stany, które spełniaja (12b), nazywamy stanami mieszanymi. Stany mieszane sa bardziej ogólne, niż stany czyste. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 12

Gaz doskonały Dla kwantowego gazu doskonałego, a więc nieoddziałujacego, wielka suma statystyczna rozpada się na iloczyn jednoczastkowych wielkich sum statystycznych, czyli Ξ = i=0 Tr i e β(ε i µ)ˆn i (14) gdzie ε i jest energia, a ˆn i operatorem liczby obsadzeń i-tego poziomu. Różnice pomiędzy bozonami a fermionami wynikaja z różnych możliwości obsadzania poszczególnych stanów. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 13

Satyendra Nath Bose, 1894-1974 Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 14

Gaz Bosego Dla bozonów liczby obsadzeń nie sa niczym ograniczone, a zatem (14) przechodzi w Ξ = i=0 n=0 ( e β(ε i µ) ) n = i=0 ( 1 e β(ε i µ) ) 1 (15) Stad otrzymujemy wielki potencjał termodynamiczny i średnia liczbę cza- stek w doskonałym gazie Bosego: Ω = k B T ln N = i=0 i=0 ( 1 e β(ε i µ) ) 1 1 e β(ε i µ) 1 (16a) (16b) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 15

Widmo energii dane jest przez ε p = p2 2m = 2 k 2 (17) 2m Jak poprzednio, gaz zamykamy w bardzo dużym pudle o objętości V i zastępujemy sumowanie po stanach całkowaniem po wektorach falowych: i gv (2π) 3 d 3 k (18) gdzie g oznacza degenerację stanu. Całkę po katach wykonujemy trywialnie, wektory falowe wyrażamy poprzez energię i ostatecznie dostajemy Ω k B T = pv k B T = gv 4π 2 ( ) 2m 3/2 2 0 dε ε 1/2 ln ( 1 e β(ε µ)) (19) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 16

i dalej, całkujac przez części, Z drugiej strony pv = 2 3 gv 4π 2 ( ) 2m 3/2 2 0 ε 3/2 dε e β(ε µ) 1 (20) E = i n i ε i gv 4π 2 ( ) 2m 3/2 2 0 ε 3/2 dε e β(ε µ) 1 a zatem otrzymujemy równanie stanu doskonałego gazu Bosego: (21) pv = 2 3 E (22) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 17

Potencjał chemiczny gazu Bosego Postępujac analogicznie, dostajemy wyrażenie na gęstość czastek N V = g 4π 2 ( ) 2m 3/2 2 0 ε 1/2 dε e β(ε µ) 1 (23) Wyrażenie (23) ma sens tylko jeśli ε µ: Potencjał chemiczny musi być mniejszy od najmniejszej możliwej energii. Ponieważ najniższa energia jest równa zeru, potencjał chemiczny gazu Bosego musi spełniać µ 0 (24) Z drugiej strony w granicy wysokich temperatur wielki potencjał termodynamiczny i gęstość czastek przyjmuja postać klasyczna, skad możemy wy- Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 18

liczyć potencjał chemiczny µ C k B T = ln N gv ( 2π 2 mk B T ) 3/2. (25) (25), jako funkcja temperatury, jest monotoniczny: daży do przy T 0 + i i do przy T. Wnioskujemy stad, że potencjał chemiczny gazu Bosego musi leżeć poniżej wartości klasycznej. Łatwo wyliczyć temperaturę, dla której potencjał chemiczny osiaga zero. W (23) podstawiamy µ = 0 i dostajemy N V = g 4π 2 ( ) 2m 3/2 2 0 = g 4π 2 ε 1/2 dε e ε/k BT 0 1 = ( ) 2mkB T 3/2 0 2 ζ g 4π 2 ( ) 3 2 ( ) 2mkB T 3/2 0 2 Γ ( ) 3 2 0 x dx e x 1 (26) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 19

Stad można wyliczyć T 0 = 2 2mk B 4π 2 gζ ( ) ( ) 3 2 Γ 32 2/3 ( N V ) 2/3 (27) Poniżej T 0, potencjał chemiczny gasu Bosego musi być infinitezymalnie mały i ujemny: µ = 0 dla T T 0. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 20

Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 21

Kondensacja Bosego-Einsteina Dla T < T 0 µ = 0 i całka we wzorze (23) jest mniejsza od N/V, gdyż wartość mianownika rośnie w porównaniu do wartości w T 0. Skad się to bierze? Otóż zastępujac w (18) sumę po stanach całka po pędach (efektywnie po energiach), zgubiliśmy pierwszy wyraz: gęstość stanów jest proporcjonalna do ε 1/2, więc ten stan znika, podczas gdy w rzeczywistości może wnieść znaczny wkład do całej sumy: Dla T < T 0 stan o naniższej energii jest makroskopowo obsadzany. Zjawisko to nosi nazwę kondensacji Bosego-Einsteina. Całka (23) daje wówczas tylko gęstość stanów o energiach większych od zera; pozostałe czastki znajduja się w stanie o energii zerowej (najniższej): Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 22

N ε>0 V = g 4π 2 ( ) 2m 3/2 2 N ε=0 V = N V 0 1 x dx e x 1 = N V ( T T 0 ) 3/2 ( T T 0 ) 3/2 (28a) (28b) Podobnie możemy wyliczyć energię i pojemność cieplna dla T T 0 ) Γ ( 52 ) E = ζ ( 5 2 ζ ( ) ( 3 2 Γ 32 )Nk B T ) Γ ( 52 ) C V = 5 2 ζ ( 5 2 ζ ( ) ( 3 2 Γ 32 )Nk B ( T T 0 ( T ) 3/2 (29a) T 0 ) 3/2 (29b) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 23

Gaz Bosego dla T > T 0 Wyliczmy różnicę pomiędzy prawdziwa liczba czastek a hipotetyczna liczba czastek dla przypadku µ = 0 i T > T 0. N N 0 (T ) = gv 4π 2 ( ) 2m 3/2 2 0 [ dε ε 1/2 1 e (ε µ)/kbt 1 1 e ε/kbt 1 gv ( ) 2m 3/2 4π 2 2 πk B T 0 µ 1/2 (30) gdzie ostatnia równość otrzymaliśmy rozwijajac funkcję podcałkowa dla 0 < T T 0 T 0, gdyż wówczas wkład wnosza tylko małe wartości ε. Stad wyliczamy potencjał chemiczny µ ζ ( ) ( ) 3 2 Γ 32 π 2 k B T 0 ( ) 3/2 2 T 1 T 0 (31) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 24 ]

Potencjał chemiczny doskonałego gazu Bosego ma nieciagł a druga pochodna w T = T 0. Postępujac analogicznie, widzimy, że pojemność cieplna ma wówczas ostrze. Doskonały gas Bosego wykazuje przejście fazowe drugiego rodzaju w T = T 0. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 25

Komentarz: Znaczenie potencjału chemicznego Formalnie potencjał chemiczny jest wielkościa, która jest równa dla dwóch układów, które pozostaja w równowadze ze względu na wymianę czastek podobnie jak temperatura jest wielkościa, która jest równa dla dwóch układów, które pozostaja w równowadze ze względu na przekaz ciepła. Potencjał chemiczny w ogólności zależy od parametrów układu, takich jak temperatura, objętość, liczba czasteczek itp. Aby zrozumieć tę zależność, należy zadać pytanie: w jaki sposób zwiększyć całkowita entropię układu (i otoczenia), w jaki sposób dodawanie częsteczek do układu może zwiększyć tę entropię? Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 26

Pamiętajmy, że df = S dt p dv + µ dn µ = F N T,V (32a) (32b) Dla układu w stałej temperaturze i objętości, potencjał chemiczny jest zmiana energii swobodnej Helmholtza wynikajac a z dodania nowej czasteczki do układu. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 27

Wysokie temperatury Dla układów (dla gazów) w wysokich temperaturach dodanie czasteczki na ogół (poza przypadkami jakichś bardzo szczególnych oddziaływań) zwiększa energię układu. W warunkach stałej temperatury i objętości układ stara się minimalizować swoja energię swobodna Helmholtza. F = U T S. Jeśli więc energia wewnętrzna rośnie, ale energia swobodna Helmholtza spada, oznacza to, że z jednej strony potencjał chemiczny jest ujemny (spadek energii swobodnej!), z drugiej, że wzrost energii wewnętrznej jest (z naddatkiem) rekompensowany przez wzrost entropii: Dodanie cza- steczki do układu powoduje wzrost energii, ale zarazem sprawia, że energia ta może zostać rozdystrybuowana na więcej sposobów, a więc rośnie liczba stanów dostępnych układowi. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 28

Gaz klasyczny w niskich temperaturach W niskich temperaturach (lub przy dużej gęstości) w gazie klasycznym wzrost energii wewnętrznej zwiazany z dodaniem czasteczki do układu nie jest dostatecznie kompensowany przez wzrost entropii, a dodatkowo moga pojawiać się efekty wykluczonej objętości. Potencjał chemiczny gazu staje się dodatni. (Należy jednak pamiętać, że klasyczny gaz w bardzo niskich temperaturach nie ma wielkiego sensu.) Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 29

Bozony w niskich temperaturach Poniżej temperatury krytycznej, potencjał chemiczny gazu Bosego staje się infinitezymalnie mały i ujemny: układ może przyjmować dowolnie dużo czasteczek. Pojawia się uporzadkowanie w przestrzeni pędów. Część bozonów wciaż ma niezerowe energie i pędy, ale w miarę spadku temperatury od T 0 do zera, coraz więcej bozonów obsadza stan o zerowej energii. Kondensacja Bosego-Einsteina jest wynikiem zmiany analitycznych własności potencjału chemicznego w temperaturze kondensacji. Aby uzyskać pewien poglad na skalę temperaturowa, jeśli wziać parametry dla atomów 4 He, otrzymamy T 0 3.14 K. Ciekły hel przechodzi do stanu nadciekłego w temperaturze 2.2 K, ale kondensacja Bosego-Einsteina jest tylko przybliżonym wyjaśnieniem zjawiska nadciekłości, z uwagi na silne oddziaływania w cieczy kwantowej. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 30

Czysty kondensat Bosego-Einsteina uzyskano w 1995 (Nagroda Nobla 2001), kondensujac gaz atomów rubidu w 170 nk. Obrazek przedstawia rozkład predkos ci atomów gazu tuz przed kondensacja, w temperaturze kondensacji i w temperaturze poniz ej temperatury kondensacji. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 31

Fotony Fotony sa bozonami. Czy wobec tego moga podlegać zjawisku kondensacji? Odpowiedź jest negatywna: Fotony nie podlegaja kondensacji Bosego- Einsteina. Dlaczego? Jak widzieliśmy, z formalnego punktu widzenia kondensacja Bosego-Einstaina oznacza zmianę w analitycznym charakterze potencjału chemicznego, tymczasem potencjał chemiczny fotonów stale równy jest zero, a wieć zjawisko kondensacji nie ma gdzie zachodzić. Patrzac na to inaczej, kondensacja oznacza makroskopowe obsadzenie stanu o najniższej energii; dla gazu doskonałego jest to stan o energii zerowej. Jest to możliwe dla czastek masywnych, ale nie dla bezmasowych, Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 32

które musza poruszać się z prędkościa c 0. Formalnym przejawem tego jest fakt, że doskonały gaz fotonów nie spełnia równania stanu (22). Komentarz: W silnie nieliniowej optyce obserwuje się zjawisko zatrzymania światła fotony nie sa jednak wówczas swobodne, ale sa pochłaniane i reemitowane przez specjalnie przygotowany ośrodek. Zatrzymanie światła można interpretować jako powstanie bardzo złożonego stanu kwantowego, w którym potencjał chemiczny fotonów staje się dodatni. Podobnie można powiedzieć, że do chwili, w której młody Wszechświat stał się przezroczysty (czyli do oderwania się promieniowania zwanego dziś reliktowym od materii), potencjał chemiczny fotonów był dodatni. Copyright c 2015-16 P. F. Góra 10 33