hol van a leghidegebb hely az univerzumban? Nem a Holdon, ahol a hőmérséklet pusztán mínusz 378 Fahrenheitre süllyed. Még a legmélyebb világűrben sem, amelynek becsült háttérhőmérséklete körülbelül mínusz 455 USD F. amennyire a tudósok meg tudják mondani, a valaha elért legalacsonyabb hőmérsékletet nemrégiben figyelték meg itt a földön.
a rekord mélypont az ultrahold fizika legújabb bravúrjai közé tartozott, az anyag laboratóriumi vizsgálata olyan észbontóan fagyos hőmérsékleten, hogy az atomok, sőt maga a fény is rendkívül szokatlan módon viselkedik. Az elektromos ellenállás egyes elemekben körülbelül mínusz 440 Celsius f alatt eltűnik, ezt a jelenséget szupravezetésnek nevezik. Még alacsonyabb hőmérsékleten egyes cseppfolyósított gázok “szuperfolyadékokká” válnak, amelyek képesek olyan szilárd falakon keresztül szivárogni, hogy bármilyen más folyadékot tartsanak; még úgy tűnik, hogy dacolnak a gravitációval, amikor kúsznak fel, át és ki a tartályaikból.
A fizikusok elismerik, hogy soha nem érhetik el az elképzelhető leghidegebb hőmérsékletet, amelyet abszolút nullának neveznek, és régen mínusz 459,67 milliárd F—nek számítottak.a fizikusok számára a hőmérséklet annak mértéke, hogy az atomok milyen gyorsan mozognak, energiájuk visszatükröződik-és az abszolút nulla az a pont, ahol egyáltalán nincs hőenergia, amelyet ki lehetne vonni egy anyagból.
de néhány fizikus szándékában áll minél közelebb kerülni ehhez az elméleti határhoz, és azért, hogy jobban megismerjem a legritkább versenyeket, meglátogattam Wolfgang Ketterle laboratóriumát a Cambridge-i Massachusetts Institute of Technology-ban. Jelenleg tartja a rekordot—legalábbis a Guinness World Records 2008 szerint-a legalacsonyabb hőmérsékletről: 810 billió fok F abszolút nulla felett. Ketterle és kollégái 2003—ban teljesítették ezt a bravúrt, miközben a mágnesek által csapdába esett nátriummolekulák körülbelül ezer hüvelyk átmérőjű felhőjével dolgoztak.
megkérem Ketterle-t, hogy mutassa meg a helyet, ahol felállították a rekordot. Azért vettünk fel védőszemüveget, hogy megvédjük magunkat attól, hogy a lézersugarak infravörös fénye elvakítsa őket, amelyeket arra használnak, hogy lelassítsák és ezáltal lehűtsék a gyorsan mozgó atomrészecskéket. Átmegyünk a folyosón a napsütötte irodájából egy sötét szobába, ahol összekapcsolt vezetékek, kis tükrök, vákuumcsövek, lézerforrások és nagy teljesítményű számítógépes berendezések találhatók. “Pont itt” -mondja, hangja izgatottan emelkedik, amikor egy fekete dobozra mutat, amelybe alumínium-fóliába csomagolt cső vezet. “Itt volt a leghidegebb hőmérséklet.”
Ketterle eredménye egy teljesen új anyagforma kereséséből származott, amelyet Bose-Einstein kondenzátumnak (BEC) neveztek. A kondenzátumok nem szabványos gázok, folyadékok vagy akár szilárd anyagok. Akkor alakulnak ki, amikor egy atomfelhő—néha több millió vagy több—mind ugyanabba a kvantumállapotba lép, és egyként viselkedik. Albert Einstein és Satyendra Bose indiai fizikus 1925-ben azt jósolta, hogy a tudósok ilyen anyagot képesek előállítani azáltal, hogy az atomokat az abszolút nullához közelítő hőmérsékletnek teszik ki. Hetven évvel később Ketterle, az MIT-nél dolgozott, és majdnem egyidejűleg Carl Wieman, a Boulder-i Colorado Egyetemen dolgozott, és Eric Cornell, a Boulder-i Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet létrehozta az első Bose-Einstein kondenzátumot. Hárman azonnal Nobel-díjat nyertek. Ketterle csapata a BECs segítségével tanulmányozza az anyag alapvető tulajdonságait, például az összenyomhatóságot, és jobban megérti az olyan furcsa alacsony hőmérsékletű jelenségeket, mint a szuperfolyékonyság. Végül Ketterle, mint sok fizikus, reméli, hogy új anyagformákat fedez fel, amelyek szobahőmérsékleten szupravezetőként működhetnek, ami forradalmasítja az emberek energiafelhasználását. A legtöbb Nobel-díjas számára a becsület hosszú karriert fed le. De Ketterle számára, aki 44 éves volt, amikor elnyerte a BECs-t, a BECs létrehozása új területet nyitott meg, amelyet kollégáival évtizedekig felfedezni fog.
egy másik versenyző a leghidegebb helyre Cambridge-szerte található, Lene Vestergaard Hau harvardi laboratóriumában. Személyes legjobbja az abszolút nulla feletti F fok néhány milliomod része, közel Ketterleéhez, amelyet ő is elért a BECs létrehozása közben. “Most minden nap BECs-t készítünk” – mondja, amikor lemegyünk egy lépcsőházba egy felszereléssel teli laboratóriumba. A biliárdasztal méretű platform a szoba közepén úgy néz ki, mint egy labirintus, amely apró ovális tükrökből és ceruza-ólom-vékony lézersugarakból áll. Becs kihasználása, Hau és munkatársai tettek valamit, ami lehetetlennek tűnhet: lelassították a fényt egy virtuális állásra.
a fénysebesség, amint azt mindannyian hallottuk, állandó: 186 171 mérföld másodpercenként vákuumban. De ez más a valós világban, a vákuumon kívül; például a fény nem csak hajlik, hanem lassul is, amikor üvegen vagy vízen halad át. Még mindig, ez semmi ahhoz képest, ami akkor történik, amikor Hau lézersugarat süt BEC-be: olyan, mintha egy baseballt dobnának egy párnába. “Először egy kerékpár sebességére csökkentettük a sebességet” – mondja Hau. “Most egy csúszómászóban van, és valóban megállíthatjuk—a fényt teljesen a BEC belsejében tartjuk, megnézzük, játszunk vele, majd elengedjük, amikor készen állunk.”
képes így manipulálni a fényt, mert a BEC sűrűsége és hőmérséklete lelassítja a fényimpulzusokat. (Nemrégiben egy lépéssel tovább vitte a kísérleteket, megállított egy impulzust az egyik BEC-ben, elektromos energiává alakította, áthelyezte egy másik BEC-be, majd elengedte és újra útnak indította.) A Hau a BECs—t arra használja, hogy többet megtudjon a fény természetéről, és hogyan használja a “lassú fényt”—vagyis a BECs-be csapdába esett fényt-a számítógépek feldolgozási sebességének javítása és az információk tárolásának új módjainak biztosítása érdekében.
nem minden ultracold kutatást végeznek BECs alkalmazásával. Finnországban például Juha Tuoriniemi fizikus mágnesesen manipulálja a ródium atomok magjait, hogy elérjék az abszolút nulla feletti 180 billió F fokos hőmérsékletet. (A Guinness-rekord ellenére sok szakértő elismeri Tuoriniemit, hogy még alacsonyabb hőmérsékletet ért el, mint Ketterle, de ez attól függ, hogy atomcsoportot, például BEC-t, vagy csak atomrészeket, például atommagokat mér.)
úgy tűnhet, hogy az abszolút nullát érdemes megpróbálni elérni, de Ketterle azt mondja, hogy jobban tudja. “Nem próbálkozunk” – mondja. “Ahol vagyunk, elég hideg a kísérleteinkhez.”Egyszerűen nem éri meg a fáradságot—arról nem is beszélve, hogy a fizikusok szerint a hő és a termodinamika törvényei lehetetlenek. “Kiszívni az összes energiát, az utolsó cseppig, és elérni a nulla energiát és az abszolút nullát—ehhez az univerzum korára lenne szükség.”
Tom Shachtman az Absolute Zero and the Conquest of Cold szerzője, amely egy jövőbeli PBS” Nova ” dokumentumfilm alapja.