missä on maailmankaikkeuden kylmin paikka? Ei kuussa, jossa lämpötila laskee -378 Fahrenheitiin. Ei edes syvimmässä ulkoavaruudessa, jonka taustalämpötila on noin -455°F. tutkijoiden mukaan alimmat koskaan saavutetut lämpötilat on äskettäin havaittu juuri täällä maapallolla.
ennätykselliset alamäet olivat ultrakoldifysiikan viimeisimpiä urotekoja, aineen laboratoriotutkimusta niin häkellyttävän kylmissä lämpötiloissa, että atomit ja jopa valo itse käyttäytyvät hyvin epätavallisilla tavoilla. Sähkövastus häviää joissakin alkuaineissa alle noin -440°F: n eli suprajohtavuuden ilmiön. Vielä alhaisemmissa lämpötiloissa joistakin nesteytetyistä kaasuista tulee” superfluideja”, jotka pystyvät tihkumaan seinien läpi niin lujina, että ne pitävät sisällään mitä tahansa muuta nestettä; ne näyttävät jopa uhmaavan painovoimaa hiipiessään ylös, yli ja ulos säiliöistään.
fyysikot tunnustavat, etteivät he voi koskaan saavuttaa kylmintä ajateltavissa olevaa lämpötilaa, joka tunnetaan absoluuttisena nollana ja jonka kauan sitten laskettiin olevan miinus 459,67°F. fyysikoille lämpötila on mitta siitä, kuinka nopeasti atomit liikkuvat, heijastus niiden energiasta—ja Absoluuttinen nollapiste on piste, jossa ei ole kerrassaan mitään lämpöenergiaa jäljellä erotettavaksi aineesta.
mutta muutamat fyysikot pyrkivät pääsemään mahdollisimman lähelle tuota teoreettista rajaa, ja se oli saada paremman kuvan siitä harvinaisimmista kilpailuista, että kävin Wolfgang Ketterlen laboratoriossa Massachusetts Institute of Technologyssa Cambridgessa. Se pitää tällä hetkellä hallussaan ennätystä—ainakin Guinness World Recordsin 2008 mukaan—alimmasta lämpötilasta: 810 biljoonasosaa asteen F yläpuolella absoluuttista nollapistettä. Ketterle ja hänen kollegansa saavuttivat tämän uroteon vuonna 2003 työskennellessään magneettien vangitsemien natriummolekyylien muodostaman pilven kanssa.
pyydän Ketterleä näyttämään minulle paikan, jossa he tekivät ennätyksen. Käytämme suojalaseja suojellaksemme itseämme tulemasta lasersäteiden infrapunavalon sokaisemiksi, joita käytetään hidastamaan vauhtia ja siten jäähdyttämään nopeasti liikkuvia atomihiukkasia. Ylitämme salin hänen aurinkoisesta toimistostaan pimeään huoneeseen, jossa on toisiinsa yhdistetty sekamelska johtoja, pieniä peilejä, tyhjiöputkia, laserlähteitä ja suuritehoisia tietokonelaitteita. ”Juuri tässä”, hän sanoo, ja hänen äänensä kohoaa jännityksestä, kun hän osoittaa mustaa laatikkoa, johon johtaa alumiinifolioon kääritty putki. ”Täällä tehtiin kylmin lämpötila.”
Ketterlen saavutus syntyi, kun hän tavoitteli kokonaan uutta aineen muotoa nimeltä Bosen-Einsteinin kondensaatti (BEC). Kondensaatit eivät ole tavallisia kaasuja, nesteitä tai edes kiinteitä aineita. Ne muodostuvat, kun atomipilvi—joskus miljoonia tai enemmänkin—menee kaikki samaan kvanttitilaan ja käyttäytyy yhtenä. Albert Einstein ja intialainen fyysikko Satyendra Bose ennustivat vuonna 1925, että tiedemiehet voisivat tuottaa tällaista ainetta altistamalla atomit lämpötiloille, jotka lähestyvät absoluuttista nollapistettä. Seitsemänkymmentä vuotta myöhemmin M. I. T.: ssä työskennellyt Ketterle ja lähes samanaikaisesti Coloradon yliopistossa Boulderissa työskennellyt Carl Wieman ja Boulderin National Institute of Standards and Technology-tutkimuslaitoksen Eric Cornell loivat ensimmäiset Bosen-Einsteinin kondensaatit. Kolmikko sai heti Nobelin palkinnon. Ketterlen ryhmä tutkii Becs: n avulla aineen perusominaisuuksia, kuten kokoonpuristuvuutta, ja ymmärtää paremmin outoja matalan lämpötilan ilmiöitä, kuten superfluenssaa. Lopulta Ketterle, kuten monet fyysikot, toivoo löytävänsä uusia aineen muotoja, jotka voisivat toimia suprajohteina huoneenlämmössä, mikä mullistaisi ihmisten energian käytön. Suurimmalle osalle Nobelisteista kunnia kattaa pitkän uran. Mutta Ketterlelle, joka oli 44-vuotias, kun hänet palkittiin, Becsin luominen avasi uuden alan, jota hän kollegoineen tutkii vuosikymmenten ajan.
toinen kylmimmän paikan haastaja on Cambridgen toisella puolella, Lene Vestergaard Hau ’ n laboratoriossa Harvardissa. Hänen henkilökohtainen ennätyksensä on muutama F asteen miljoonasosa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, lähellä Ketterlen lukemaa, jonka hänkin saavutti luodessaan Becsiä. ”Nyt teemme Becsiä joka päivä”, hän sanoo mennessään rappukäytävää pitkin laboratorioon, joka on täynnä laitteita. Huoneen keskellä oleva biljardipöydän kokoinen alusta näyttää sokkelolta, joka on rakennettu pienistä soikeista peileistä ja lyijykynä-lyijy-ohuista lasersäteistä. Becsin valjastaminen, Hau ja hänen työtoverinsa ovat tehneet jotain, mikä saattaa tuntua mahdottomalta.: ne ovat hidastaneet valon lähes pysähdyksiin.
valonnopeus, kuten olemme kaikki kuulleet, on vakio: 186,171 mailia sekunnissa tyhjiössä. Mutta se on erilaista todellisessa maailmassa tyhjiön ulkopuolella; esimerkiksi valo ei ainoastaan taivu vaan myös hidastuu hyvin vähän, kun se kulkee lasin tai veden läpi. Se ei silti ole mitään verrattuna siihen, mitä tapahtuu, kun Hau valaisee lasersäteellä BEC: tä: se on kuin heittäisi pesäpallon tyynyyn. ”Ensin saatiin pyörällä ajonopeus alas”, Hau sanoo. ”Nyt se on ryömimässä, ja voimme itse asiassa pysäyttää sen-pitää valon kokonaan BEC: n sisällä, katsoa sitä, leikkiä sillä ja vapauttaa sen sitten, kun olemme valmiita.”
hän pystyy manipuloimaan valoa tällä tavalla, koska BEC: n tiheys ja lämpötila hidastavat valon pulsseja. (Hän vei kokeet äskettäin askeleen pidemmälle pysäyttäen pulssin yhdessä BEC: ssä, muuntaen sen sähköenergiaksi, siirtäen sen toiseen BEC: hen, vapauttaen sen ja lähettäen sen jälleen matkaan.) Hau käyttää BECs: ää löytääkseen lisää valon luonteesta ja siitä, miten käyttää ”hidasta valoa”—eli Becs: ään vangittua valoa—tietokoneiden prosessointinopeuden parantamiseksi ja uusien tietojen tallentamiseksi.
kaikkia ultracold-tutkimuksia ei tehdä Becs: llä. Suomessa esimerkiksi fyysikko Juha Tuoriniemi manipuloi rodiumatomien ytimiä magneettisesti niin, että lämpötila on 180 biljoonasosaa astetta F absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. (Guinnessin ennätyksestä huolimatta monet asiantuntijat antavat Tuoriniemelle kunnian jopa Ketterleä alhaisempien lämpötilojen saavuttamisesta, mutta se riippuu siitä, mitataanko jokin atomiryhmä, kuten BEC, vai vain atomien osia, kuten ytimet.)
saattaa näyttää siltä, että absoluuttinen nolla kannattaa yrittää saavuttaa, mutta Ketterle sanoo tietävänsä paremmin. ”Me emme yritä”, hän sanoo. ”Paikka, jossa olemme, on tarpeeksi kylmä kokeillemme.”Se ei yksinkertaisesti ole vaivan arvoista—puhumattakaan siitä, että fyysikkojen käsityksen mukaan lämpö ja termodynamiikan lait ovat mahdottomia. ”Kaiken energian Imeminen pois, joka ikisen osan siitä, ja nollaenergian ja absoluuttisen nollan saavuttaminen-siihen tarvittaisiin maailmankaikkeuden ikä.”
Tom Shachtman on kirjoittanut absoluuttisen nollan ja kylmän valloituksen, joka on PBS: n tulevan ”Nova” – dokumentin pohjana.