hvor er det koldeste sted i universet? Ikke på månen, hvor temperaturen falder til blot minus 378 Fahrenheit. Ikke engang i det dybeste ydre rum, som har en estimeret baggrundstemperatur på omkring minus 455 liter F. så vidt forskere kan fortælle, blev de laveste temperaturer nogensinde opnået for nylig observeret lige her på jorden.
de rekordstore nedture var blandt de nyeste bedrifter inden for ultrakold fysik, laboratorieundersøgelsen af stof ved temperaturer, der er så forbløffende frigid, at atomer og endda lys selv opfører sig på meget usædvanlige måder. Elektrisk modstand i nogle elementer forsvinder under omkring minus 440 liter F, et fænomen kaldet superledningsevne. Ved endnu lavere temperaturer bliver nogle flydende gasser “superfluider”, der er i stand til at sive gennem vægge, der er solide nok til at holde enhver anden form for væske; de ser endda ud til at trodse tyngdekraften, når de kryber op, over og ud af deres containere.
fysikere anerkender, at de aldrig kan nå den koldeste tænkelige temperatur, kendt som absolut nul og for længe siden beregnet til at være minus 459,67 liter F. For fysikere er temperaturen et mål for, hvor hurtigt atomer bevæger sig, en afspejling af deres energi—og absolut nul er det punkt, hvor der absolut ikke er nogen varmeenergi tilbage, der skal ekstraheres fra et stof.men et par fysikere har til hensigt at komme så tæt som muligt på den teoretiske grænse, og det var for at få et bedre overblik over de mest sjældne konkurrencer, som jeg besøgte Ulvgang Ketterles laboratorium ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. Det har i øjeblikket rekorden—i det mindste ifølge Guinness verdensrekorder 2008-for laveste temperatur: 810 billioner af en grad F over absolut nul. Ketterle og hans kolleger opnåede den bedrift i 2003, mens de arbejdede med en sky—omkring en tusindedel af en tomme på tværs—af natriummolekyler fanget på plads af magneter.
Jeg beder Ketterle om at vise mig stedet, hvor de ville sætte rekorden. Vi tager beskyttelsesbriller på for at beskytte os mod at blive blændet af infrarødt lys fra de laserstråler, der bruges til at bremse og derved afkøle hurtigt bevægende atompartikler. Vi krydser hallen fra hans solrige Kontor ind i et mørkt rum med et sammenkoblet virvar af ledninger, små spejle, vakuumrør, laserkilder og højdrevet computerudstyr. “Lige her,” siger han, hans stemme stiger med spænding, da han peger på en sort boks, der har et aluminiumsfolieindpakket rør, der fører ind i det. “Det er her, vi lavede den koldeste temperatur.”
Ketterles præstation kom ud af hans forfølgelse af en helt ny form for stof kaldet et Bose-Einstein-kondensat (BEC). Kondensaterne er ikke standardgasser, væsker eller endda faste stoffer. De dannes, når en sky af atomer—nogle gange millioner eller mere—alle går ind i den samme kvantetilstand og opfører sig som en. Albert Einstein og den indiske fysiker Satyendra Bose forudsagde i 1925, at forskere kunne generere sådan stof ved at udsætte atomer for temperaturer, der nærmer sig absolut nul. Halvfjerds år senere, Ketterle, der arbejder på M. I. T., og næsten samtidig, Carl Veman, der arbejder på University of Colorado i Boulder, og Eric Cornell fra National Institute of Standards and Technology i Boulder skabte de første Bose-Einstein kondensater. De tre vandt straks en Nobelpris. Ketterles team bruger BECs til at studere grundlæggende egenskaber ved stof, såsom kompressibilitet, og bedre forstå underlige lavtemperaturfænomener som superfluiditet. I sidste ende håber Ketterle, som mange fysikere, at opdage nye former for stof, der kan fungere som superledere ved stuetemperatur, hvilket ville revolutionere, hvordan mennesker bruger energi. For de fleste Nobelprisvindere har æren en lang karriere. Men for Ketterle, som var 44 år gammel, da han blev tildelt sin, åbnede oprettelsen af BECs et nyt felt, som han og hans kolleger vil udforske i årtier.
en anden udfordrer til det koldeste sted er på tværs af Cambridge, i Lene Vestergaard Hau laboratorium på Harvard. Hendes personlige bedste er et par milliontedele af en grad F over absolut nul, tæt på Ketterle ‘ s, som hun også nåede, mens hun skabte BECs. “Vi laver BECs hver dag nu,” siger hun, når vi går ned ad en trappeopgang til et laboratorium fyldt med udstyr. En platform i billard-bordstørrelse i midten af rummet ligner en labyrint Konstrueret af små ovale spejle og blyant-bly-tynde laserstråler. Udnyttelse af BECs, Hau og hendes kolleger har gjort noget, der kan synes umuligt: de har bremset lyset til en virtuel stilstand.lysets hastighed, som vi alle har hørt, er en konstant: 186.171 miles per sekund i et vakuum. Men det er anderledes i den virkelige verden, uden for et vakuum; for eksempel, lys bøjer ikke kun, men bremser også nogensinde så lidt, når det passerer gennem glas eller vand. Alligevel er det intet i forhold til hvad der sker, når Hau skinner en laserstråle af lys ind i en BEC: det er som at kaste et baseball i en pude. “Først fik vi hastigheden ned til en cykel,” siger Hau. “Nu er det ved en gennemgang, og vi kan faktisk stoppe det—hold lys aftappet helt inde i BEC, se på det, lege med det og slip det derefter, når vi er klar.”
hun er i stand til at manipulere lys på denne måde, fordi tætheden og temperaturen på BEC bremser lysimpulser ned. (Hun tog for nylig eksperimenterne et skridt videre, stoppede en puls i en BEC, konverterede den til elektrisk energi, overførte den til en anden BEC, frigav den derefter og sendte den på vej igen.) Hau bruger BECs til at opdage mere om lysets natur og hvordan man bruger “langsomt lys”—det vil sige lys fanget i BECs—for at forbedre computerens behandlingshastighed og give nye måder at gemme information på.
ikke al ultrakold forskning udføres ved hjælp af BECs. I Finland manipulerer fysikeren Juha Tuoriniemi magnetisk kernerne af rhodium atomer for at nå temperaturer på 180 billioner af en grad F over absolut nul. (Guinness record uanset, mange eksperter kredit Tuoriniemi med at opnå endnu lavere temperaturer end Ketterle, men det afhænger af, om du måler en gruppe atomer, såsom en BEC, eller kun dele af atomer, såsom kernerne.)
det ser ud til, at absolut nul er værd at forsøge at nå, men Ketterle siger, at han ved bedre. “Vi prøver ikke,” siger han. “Hvor vi er, er koldt nok til vores eksperimenter.”Det er simpelthen ikke besværet værd—for ikke at nævne, ifølge fysikernes forståelse af varme og termodynamikens love, umuligt. “At suge al energien ud, hver eneste bit af den og opnå nul energi og absolut nul—det ville tage universets alder at opnå.”
Tom Shachtman er forfatter til absolut nul og erobringen af kulde, grundlaget for en fremtidig PBS” Nova ” Dokumentar.