Kde je nejchladnější místo ve vesmíru? Ne na Měsíci, kde teplota klesne na pouhých minus 378 stupňů Celsia. Ani v nejhlubším vesmíru, který má odhadovanou teplotu pozadí asi minus 455°F. pokud vědci mohou říct, nejnižší teploty, které kdy byly dosaženy, byly nedávno pozorovány právě tady na zemi.
rekordní minima byly mezi poslední výkony ultracold fyziky, laboratorní studie ohledu na teploty tak nehorázně frigidní, že atomy a dokonce i samo světlo se chovají velmi neobvyklé způsoby. Elektrický odpor v některých prvcích zmizí pod minus 440°F, což je jev zvaný supravodivost. Při ještě nižších teplotách, některé zkapalněné plyny stát „supratekutiny“ schopné vytékání přes zdi dostatečně pevná, aby držet jiný druh kapaliny; dokonce se zdá vzdorovat gravitaci, jak se šplhají nahoru, přes a ven z jejich obaly.
Fyzikové uznávají, že nikdy nemůže dosáhnout nejchladnější myslitelné teploty, známý jako absolutní nula a dávno stanovena na mínus 459.67°F. Pro fyziky, teplota je mírou, jak rychle atomy jsou v pohybu, odrazem jejich energie—a absolutní nula je bod, ve kterém nemáme absolutně žádné tepelné energie zbývající mají být extrahovány z látky.
Ale pár fyziků jsou odhodláni dostat se tak blízko, jak je možné, že teoretický limit, a to bylo, aby se získat lepší pohled, že většina řidší soutěží, které jsem navštívil Wolfgang Ketterle laboratoři na Massachusetts Institute of Technology v Cambridge. V současné době drží rekord – alespoň podle Guinnessovy knihy rekordů 2008-pro nejnižší teplotu: 810 biliontin stupně F nad absolutní nulou. Ketterle a jeho kolegové dokázali, že výkon v roce 2003 při práci s cloud—o tisíciny palce napříč—sodíku molekuly uvězněni na místě pomocí magnetů.
žádám Ketterleho, aby mi ukázal místo, kde by nastavili rekord. Nasadili jsme si brýle, abychom se chránili před oslepením infračerveným světlem z laserových paprsků, které se používají ke zpomalení a ochlazení rychle se pohybujících atomových částic. Přecházíme chodbou z jeho slunné kanceláře do temné místnosti s propojenou změť drátů, malá zrcátka, vakuové trubice, laserové zdroje a vysoce výkonné počítačové vybavení. „Právě tady,“ říká a jeho hlas vzrušeně stoupá, když ukazuje na černou skříňku, do které vede trubice zabalená do hliníkové fólie. „Tady jsme udělali nejchladnější teplotu.“
Ketterleho úspěch vyšel z jeho snahy o zcela novou formu hmoty zvanou Bose-Einsteinův kondenzát (BEC). Kondenzáty nejsou standardní plyny, kapaliny nebo dokonce pevné látky. Tvoří se, když oblak atomů—někdy miliony nebo více—všechny vstoupí do stejného kvantového stavu a chovají se jako jeden. Albert Einstein a Indický fyzik Satyendra Bose předpověděl v roce 1925, že vědci by mohly generovat takové věci vystaví atomů na teploty blížící se absolutní nule. O sedmdesát let později, Ketterle, pracuje na M. I. T., a téměř současně, Carl Wieman, který pracuje na University of Colorado v Boulderu, a Eric Cornell Národního Institutu pro Standardy a Technologie v Boulderu vytvořil první Bose-Einstein kondenzátů. Tito tři okamžitě získali Nobelovu cenu. Ketterle je tým je pomocí BECs studovat základní vlastnosti hmoty, jako je stlačitelnost, a lépe pochopit zvláštní nízké teploty jevy, jako jsou superfluidity. Nakonec, Ketterle, jako mnoho fyziků, doufá, že se objevovat nové formy hmoty, která by mohla působit jako supravodiče při pokojové teplotě, která by revoluci, jak lidé používají energii. Pro většinu nositelů Nobelovy ceny, čest uzavírá dlouhou kariéru. Ale pro Ketterleho, kterému bylo 44 let, když mu bylo uděleno jeho, vytvoření BECs otevřelo nové pole, které on a jeho kolegové budou zkoumat po celá desetiletí.
dalším uchazečem o nejchladnější místo je napříč Cambridge, v laboratoři Lene Vestergaard Hauové na Harvardu. Její osobní rekord je několik miliontin stupně F nad absolutní nulou, blízko Ketterleho, kterého také dosáhla při vytváření BECs. „Děláme BECs každý den,“ říká, když jdeme po schodišti do laboratoře plné vybavení. Platforma kulečníkového stolu ve středu místnosti vypadá jako bludiště postavené z malých oválných zrcadel a laserových paprsků tenkých tužkou. Využití BECs, Hau a její spolupracovníci udělali něco, co by se mohlo zdát nemožné: zpomalili světlo na virtuální zastavení.
rychlost světla, jak jsme všichni slyšeli, je konstanta: 186,171 mil za sekundu ve vakuu. Ve skutečném světě, mimo vakuum, je to však jiné; například světlo se nejen ohýbá, ale také mírně zpomaluje, když prochází sklem nebo vodou. Stále, to není nic ve srovnání s tím, co se stane, když Hau svítí laserový paprsek do BEC: je to jako hokej a baseball do polštáře. „Nejprve jsme snížili rychlost na kolo,“ říká Hau. „Teď je to na procházení a můžeme to skutečně zastavit-udržujte světlo v lahvích úplně uvnitř BEC, podívejte se na to, Hrajte si s ním a poté ho uvolněte, až budeme připraveni.“
je schopna manipulovat se světlem tímto způsobem, protože hustota a teplota BEC zpomaluje pulzy světla dolů. (Nedávno vzala pokusů o krok dále, zastavení tepu v jednom BEC, převádí je na elektrickou energii, přenosu do jiného BEC, pak uvolněním a odesílá je na cestě znovu.) Hau používá BECs k objevování více o povaze světla a jak používat“pomalé světlo“—To znamená světlo uvězněné v BECs-ke zlepšení rychlosti zpracování počítačů a poskytnutí nových způsobů ukládání informací.
ne všechny ultracold výzkum se provádí pomocí BECs. Ve Finsku, například, fyzik Juha Tuoriniemi magneticky manipuluje jádra rhodium atomy dosáhnout teploty 180 miliardtinách stupňů F nad absolutní nulou. (Guinness rekord bez ohledu, mnozí odborníci kreditní Tuoriniemi s dosažení ještě nižších teplotách než Ketterle, ale to závisí na tom, zda měříme skupina atomů, jako je BEC, nebo pouze částí atomů, jako jádra.)
mohlo by se zdát, že absolutní nula stojí za to se snaží dosáhnout, ale Ketterle říká, že ví lépe. „Nesnažíme se,“ říká. „Tam, kde jsme, je dost chladno pro naše experimenty.“Prostě to nestojí za potíže – nemluvě o tom, že podle fyziků chápání tepla a zákonů termodynamiky je nemožné. „Vysát veškerou energii, každý poslední kousek, a dosáhnout nulové energie a absolutní nuly—to by vyžadovalo dosažení věku vesmíru.“
Tom Shachtman je autorem absolutní nuly a dobytí chladu, základu budoucího dokumentu PBS „Nova“.