Wo ist der kälteste Ort im Universum? Nicht auf dem Mond, wo die Temperatur auf nur minus 378 Fahrenheit sinkt. Nicht einmal im tiefsten Weltraum, der eine geschätzte Hintergrundtemperatur von etwa minus 455 ° F hat. Soweit Wissenschaftler sagen können, wurden die niedrigsten jemals erreichten Temperaturen kürzlich hier auf der Erde beobachtet.Die Rekordtiefs gehörten zu den neuesten Errungenschaften der ultrakalten Physik, der Laboruntersuchung von Materie bei Temperaturen, die so umwerfend kalt sind, dass sich Atome und sogar Licht selbst auf höchst ungewöhnliche Weise verhalten. Der elektrische Widerstand in einigen Elementen verschwindet unter etwa minus 440 ° F, ein Phänomen, das Supraleitung genannt wird. Bei noch niedrigeren Temperaturen werden einige verflüssigte Gase zu „Superflüssigkeiten“, die durch Wände sickern können, die fest genug sind, um jede andere Art von Flüssigkeit aufzunehmen; Sie scheinen sogar der Schwerkraft zu trotzen, wenn sie nach oben, über und aus ihren Behältern kriechen.Physiker erkennen an, dass sie niemals die kälteste denkbare Temperatur erreichen können, die als absoluter Nullpunkt bekannt ist und vor langer Zeit auf minus 459,67 ° F berechnet wurde. Für Physiker ist die Temperatur ein Maß dafür, wie schnell sich Atome bewegen, ein Spiegelbild ihrer Energie — und der absolute Nullpunkt ist der Punkt, an dem absolut keine Wärmeenergie mehr aus einer Substanz extrahiert werden kann.
Aber ein paar Physiker sind darauf bedacht, dieser theoretischen Grenze so nahe wie möglich zu kommen, und um einen besseren Blick auf diese seltensten Wettbewerbe zu bekommen, besuchte ich Wolfgang Ketterles Labor am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Es hält derzeit den Rekord – zumindest nach Guinness World Records 2008 – für die niedrigste Temperatur: 810 Billionstel Grad F über dem absoluten Nullpunkt. Ketterle und seine Kollegen haben dieses Kunststück 2003 vollbracht, als sie mit einer Wolke — etwa ein Tausendstel Zoll Durchmesser — von Natriummolekülen gearbeitet haben, die von Magneten an Ort und Stelle gefangen wurden.
Ich bitte Ketterle, mir die Stelle zu zeigen, an der sie den Rekord aufgestellt haben. Wir setzen eine Schutzbrille auf, um uns davor zu schützen, durch Infrarotlicht der Laserstrahlen geblendet zu werden, mit denen sich schnell bewegende Atompartikel verlangsamt und dadurch gekühlt werden. Wir durchqueren die Halle von seinem sonnigen Büro in einen dunklen Raum mit einem miteinander verbundenen Durcheinander von Drähten, kleine Spiegel, Vakuumröhren, Laserquellen und leistungsstarke Computerausrüstung. „Genau hier“, sagt er, seine Stimme erhebt sich vor Aufregung, als er auf eine Blackbox zeigt, in die ein mit Aluminiumfolie umwickeltes Rohr führt. „Dies ist, wo wir die kälteste Temperatur gemacht.“
Ketterles Leistung resultierte aus seinem Streben nach einer völlig neuen Form von Materie, die als Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bezeichnet wird. Die Kondensate sind keine Standardgase, Flüssigkeiten oder gar Feststoffe. Sie entstehen, wenn eine Wolke von Atomen — manchmal Millionen oder mehr – alle in den gleichen Quantenzustand eintreten und sich wie eins verhalten. Albert Einstein und der indische Physiker Satyendra Bose sagten 1925 voraus, dass Wissenschaftler solche Materie erzeugen könnten, indem sie Atome Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt aussetzen. Siebzig Jahre später schufen Ketterle, der bei M.I.T. arbeitete, und fast gleichzeitig Carl Wieman, der an der University of Colorado in Boulder arbeitete, und Eric Cornell vom National Institute of Standards and Technology in Boulder die ersten Bose-Einstein-Kondensate. Die drei erhielten prompt einen Nobelpreis. Ketterles Team nutzt BECs, um grundlegende Eigenschaften von Materie wie Kompressibilität zu untersuchen und seltsame Tieftemperaturphänomene wie Suprafluidität besser zu verstehen. Letztendlich hofft Ketterle, wie viele Physiker, neue Materieformen zu entdecken, die bei Raumtemperatur als Supraleiter wirken könnten und die Art und Weise, wie Menschen Energie nutzen, revolutionieren würden. Für die meisten Nobelpreisträger bedeutet die Auszeichnung eine lange Karriere. Aber für Ketterle, der 44 Jahre alt war, als er ausgezeichnet wurde, eröffnete die Schaffung von BECs ein neues Feld, das er und seine Kollegen jahrzehntelang erforschen werden.
Ein weiterer Anwärter auf den kältesten Punkt ist in Cambridge, in Lene Vestergaard Haus Labor in Harvard. Ihre persönliche Bestleistung liegt einige Millionstel Grad F über dem absoluten Nullpunkt, nahe bei Ketterle, was sie auch bei der Erstellung von BECs erreicht hat. „Wir machen jetzt jeden Tag BECs“, sagt sie, als wir ein Treppenhaus zu einem Labor voller Geräte hinuntergehen. Eine billardtischgroße Plattform in der Mitte des Raumes sieht aus wie ein Labyrinth aus winzigen ovalen Spiegeln und bleistiftdünnen Laserstrahlen. Hau und ihre Mitarbeiter haben BECs genutzt, um etwas zu tun, das unmöglich erscheint: sie haben das Licht praktisch zum Stillstand gebracht.Die Lichtgeschwindigkeit ist, wie wir alle gehört haben, eine Konstante: 186.171 Meilen pro Sekunde im Vakuum. Aber es ist anders in der realen Welt, außerhalb eines Vakuums; Zum Beispiel, Licht biegt sich nicht nur, sondern verlangsamt sich auch leicht, wenn es durch Glas oder Wasser geht. Trotzdem ist das nichts im Vergleich zu dem, was passiert, wenn Hau einen Laserlichtstrahl in einen BALL wirft: Es ist, als würde man einen Baseball in ein Kissen schleudern. „Zuerst haben wir die Geschwindigkeit auf die eines Fahrrads reduziert“, sagt Hau. „Jetzt kriecht es und wir können es tatsächlich stoppen – halten Sie das Licht vollständig im BEC in Flaschen, schauen Sie es sich an, spielen Sie damit und lassen Sie es dann los, wenn wir bereit sind.“
Sie ist in der Lage, Licht auf diese Weise zu manipulieren, weil die Dichte und die Temperatur des BEC die Lichtimpulse verlangsamen. (Sie ging kürzlich noch einen Schritt weiter, stoppte einen Impuls in einem BEC, wandelte ihn in elektrische Energie um, übertrug ihn auf ein anderes BEC, gab ihn dann frei und schickte ihn wieder auf den Weg.) Hau verwendet BECs, um mehr über die Natur des Lichts zu erfahren und wie „langsames Licht“ — das heißt, in BECs eingeschlossenes Licht — verwendet werden kann, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Computern zu verbessern und neue Möglichkeiten zum Speichern von Informationen bereitzustellen.
Nicht alle ultrakalten Untersuchungen werden mit BECs durchgeführt. In Finnland zum Beispiel manipuliert der Physiker Juha Tuoriniemi die Kerne von Rhodiumatomen magnetisch, um Temperaturen von 180 Billionstel Grad F über dem absoluten Nullpunkt zu erreichen. (Trotz des Guinness-Rekords schreiben viele Experten Tuoriniemi sogar noch niedrigere Temperaturen als Ketterle zu, aber das hängt davon ab, ob Sie eine Gruppe von Atomen wie einen KERN oder nur Teile von Atomen wie die Kerne messen.)
Es scheint, dass es sich lohnt, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, aber Ketterle sagt, er weiß es besser. „Wir versuchen es nicht“, sagt er. „Wo wir sind, ist kalt genug für unsere Experimente.“ Es ist einfach nicht die Mühe wert – ganz zu schweigen davon, nach dem Verständnis der Physiker von Wärme und den Gesetzen der Thermodynamik unmöglich. „Um die ganze Energie, jedes letzte Bisschen davon, herauszusaugen und Null—Energie und absoluten Nullpunkt zu erreichen – das würde das Zeitalter des Universums erfordern.“
Tom Shachtman ist der Autor von Absolute Zero und die Eroberung der Kälte, die Grundlage für eine zukünftige PBS-Dokumentation „Nova“.