Dov’è il posto più freddo dell’universo? Non sulla luna, dove la temperatura scende a un mero meno 378 Fahrenheit. Nemmeno nello spazio esterno più profondo, che ha una temperatura di fondo stimata di circa meno 455°F. Per quanto gli scienziati possono dire, le temperature più basse mai raggiunte sono state recentemente osservate proprio qui sulla terra.
I minimi da record sono stati tra le ultime gesta della fisica ultracold, lo studio di laboratorio della materia a temperature così incredibilmente frigide che gli atomi e persino la luce stessa si comportano in modi altamente insoliti. La resistenza elettrica in alcuni elementi scompare al di sotto di circa 440°F, un fenomeno chiamato superconduttività. A temperature ancora più basse, alcuni gas liquefatti diventano “superfluidi” in grado di trasudare attraverso le pareti abbastanza solide da contenere qualsiasi altro tipo di liquido; sembrano persino sfidare la gravità mentre si insinuano, oltre e fuori dai loro contenitori.
I fisici riconoscono di non poter mai raggiungere la temperatura più fredda immaginabile, nota come zero assoluto e molto tempo fa calcolata essere meno 459,67°F. Per i fisici, la temperatura è una misura della velocità con cui gli atomi si muovono, un riflesso della loro energia—e lo zero assoluto è il punto in cui non c’è assolutamente energia termica
Ma alcuni fisici sono intenti ad avvicinarsi il più possibile a quel limite teorico, ed è stato per avere una visione migliore di quella più rarefatta delle competizioni che ho visitato il laboratorio di Wolfgang Ketterle al Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. Attualmente detiene il record-almeno secondo il Guinness World Records 2008-per la temperatura più bassa: 810 trilionesimi di grado F sopra lo zero assoluto. Ketterle e i suoi colleghi hanno compiuto quell’impresa nel 2003 mentre lavoravano con una nuvola—circa un millesimo di pollice di diametro—di molecole di sodio intrappolate in posizione da magneti.
Chiedo a Ketterle di mostrarmi il punto in cui avrebbero stabilito il record. Indossiamo occhiali per proteggerci dall’essere accecati dalla luce infrarossa dai raggi laser che vengono utilizzati per rallentare e quindi raffreddare le particelle atomiche in rapido movimento. Attraversiamo la sala dal suo ufficio soleggiato in una stanza buia con un miscuglio interconnesso di fili, piccoli specchi, tubi a vuoto, sorgenti laser e apparecchiature informatiche ad alta potenza. “Proprio qui”, dice, la sua voce si alza con eccitazione mentre indica una scatola nera che ha un tubo avvolto in un foglio di alluminio che vi conduce. “Questo è dove abbiamo fatto la temperatura più fredda.”
Il successo di Ketterle è venuto fuori dalla sua ricerca di una forma completamente nuova di materia chiamata condensato di Bose-Einstein (BEC). I condensati non sono gas standard, liquidi o anche solidi. Si formano quando una nuvola di atomi—a volte milioni o più-tutti entrano nello stesso stato quantico e si comportano come uno. Albert Einstein e il fisico indiano Satyendra Bose predissero nel 1925 che gli scienziati potevano generare tale materia sottoponendo gli atomi a temperature che si avvicinavano allo zero assoluto. Settant’anni dopo, Ketterle, che lavorava al M. I. T., e quasi contemporaneamente, Carl Wieman, che lavorava all’Università del Colorado a Boulder, e Eric Cornell del National Institute of Standards and Technology di Boulder crearono i primi condensati di Bose-Einstein. I tre hanno prontamente vinto un premio Nobel. Il team di Ketterle sta usando BECs per studiare le proprietà di base della materia, come la compressibilità, e capire meglio strani fenomeni a bassa temperatura come la superfluidità. In definitiva, Ketterle, come molti fisici, spera di scoprire nuove forme di materia che potrebbero agire come superconduttori a temperatura ambiente, il che rivoluzionerebbe il modo in cui gli esseri umani usano l’energia. Per la maggior parte dei vincitori del premio Nobel, l’onore chiude una lunga carriera. Ma per Ketterle, che aveva 44 anni quando gli è stato assegnato il suo, la creazione di BECs ha aperto un nuovo campo che lui ei suoi colleghi esploreranno per decenni.
Un altro concorrente per il posto più freddo è attraverso Cambridge, nel laboratorio di Lene Vestergaard Hau ad Harvard. Il suo record personale è di qualche milionesimo di grado F sopra lo zero assoluto, vicino a quello di Ketterle, che anche lei ha raggiunto durante la creazione di BECs. “Facciamo BECs ogni giorno ora”, dice mentre scendiamo da una tromba delle scale verso un laboratorio pieno di attrezzature. Una piattaforma di biliardo-tavolo-size al centro della stanza si presenta come un labirinto costruito di piccoli specchi ovali e raggi laser matita-piombo-sottile. Sfruttando BECs, Hau ei suoi collaboratori hanno fatto qualcosa che potrebbe sembrare impossibile: hanno rallentato la luce a un punto morto virtuale.
La velocità della luce, come tutti abbiamo sentito, è una costante: 186.171 miglia al secondo nel vuoto. Ma è diverso nel mondo reale, al di fuori del vuoto; per esempio, la luce non solo si piega ma rallenta anche leggermente quando passa attraverso il vetro o l’acqua. Eppure, questo è nulla in confronto a ciò che accade quando Hau brilla un raggio laser di luce in un BEC: è come scagliare una palla da baseball in un cuscino. “In primo luogo, abbiamo ottenuto la velocità fino a quella di una bicicletta”, dice Hau. “Ora è a passo d’uomo, e possiamo effettivamente fermarlo: tenere la luce imbottigliata interamente all’interno del BEC, guardarla, giocarci e poi rilasciarla quando siamo pronti.”
È in grado di manipolare la luce in questo modo perché la densità e la temperatura del BEC rallenta gli impulsi di luce verso il basso. (Recentemente ha fatto un ulteriore passo avanti negli esperimenti, fermando un impulso in un BEC, convertendolo in energia elettrica, trasferendolo a un altro BEC, quindi rilasciandolo e inviandolo di nuovo sulla sua strada. Hau utilizza BECs per scoprire di più sulla natura della luce e su come utilizzare la “luce lenta”—cioè la luce intrappolata in BECs—per migliorare la velocità di elaborazione dei computer e fornire nuovi modi per memorizzare le informazioni.
Non tutte le ricerche ultracold vengono eseguite utilizzando BECs. In Finlandia, ad esempio, il fisico Juha Tuoraniemi manipola magneticamente i nuclei degli atomi di rodio per raggiungere temperature di 180 trilionesimi di grado F sopra lo zero assoluto. (Nonostante il Guinness dei primati, molti esperti accreditano Tuoraniemi con il raggiungimento di temperature ancora più basse di Ketterle, ma dipende dal fatto che tu stia misurando un gruppo di atomi, come un BEC, o solo parti di atomi, come i nuclei.)
Potrebbe sembrare che valga la pena provare a raggiungere lo zero assoluto, ma Ketterle dice che lo sa meglio. “Non ci stiamo provando”, dice. “Dove siamo è abbastanza freddo per i nostri esperimenti.”Semplicemente non vale la pena-per non parlare, secondo la comprensione dei fisici del calore e delle leggi della termodinamica, impossibile. “Aspirare tutta l’energia, fino all’ultimo bit di esso, e raggiungere zero energia e zero assoluto—che richiederebbe l’età dell’universo per realizzare.”
Tom Shachtman è l’autore di Zero assoluto e la conquista del freddo, la base per un futuro documentario PBS “Nova”.