Waar is de koudste plek in het universum? Niet op de maan, waar de temperatuur daalt tot min 378 Fahrenheit. Zelfs niet in de diepste ruimte, die een geschatte achtergrondtemperatuur heeft van ongeveer min 455°F. Voor zover wetenschappers kunnen vertellen, werden de laagste temperaturen ooit bereikt onlangs hier op aarde waargenomen.de recordbrekende dieptepunten behoorden tot de nieuwste prestaties van de ultrakoude fysica, de laboratoriumstudie van materie bij temperaturen die zo verbijsterend frigide zijn dat atomen en zelfs licht zich op zeer ongebruikelijke manieren gedragen. De elektrische weerstand in sommige elementen verdwijnt onder ongeveer -440 ° F, een fenomeen dat supergeleiding wordt genoemd. Bij nog lagere temperaturen worden sommige vloeibaar gemaakte gassen “superfluïden” die in staat zijn om door muren te sijpelen die stevig genoeg zijn om een andere soort vloeistof vast te houden; ze lijken zelfs de zwaartekracht te trotseren als ze omhoog, over en uit hun containers kruipen.natuurkundigen erkennen dat ze nooit de koudste denkbare temperatuur kunnen bereiken, bekend als het absolute nulpunt en lang geleden berekend op min 459,67°F. voor natuurkundigen is de temperatuur Een maat voor de snelheid waarmee atomen bewegen, een reflectie van hun energie—en het absolute nulpunt is het punt waarop er absoluut geen warmte-energie meer uit een stof kan worden gewonnen.maar een paar natuurkundigen zijn van plan om zo dicht mogelijk bij die theoretische limiet te komen, en het was om een beter beeld te krijgen van die meest zeldzame wedstrijden dat ik Wolfgang Ketterle ‘ s lab bezocht aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Het heeft momenteel het record – althans volgens Guinness World Records 2008-voor de laagste temperatuur: 810 biljoensten van een graad F boven het absolute nulpunt. Ketterle en zijn collega ‘ s bereikten die prestatie in 2003 terwijl ze werkten met een wolk—ongeveer een duizendste van een centimeter in doorsnede—van natriummoleculen die door magneten op hun plaats werden gevangen.
Ik vraag Ketterle om me de plek te laten zien waar ze het record hebben gezet. We zetten een bril op om onszelf te beschermen tegen het verblinden door infrarood licht van de laserstralen die worden gebruikt om snel bewegende atomaire deeltjes te vertragen en daardoor te koelen. We doorkruisen de hal van zijn zonnige kantoor naar een donkere kamer met een aaneengesloten wirwar van draden, kleine spiegels, vacuümbuizen, laserbronnen en krachtige computerapparatuur. “Hier,” zegt hij, zijn stem stijgt van opwinding als hij wijst naar een zwarte doos die een aluminium-folie-gewikkelde buis die leidt in het heeft. “Hier hebben we de koudste temperatuur gemaakt.Ketterle ‘ s prestatie kwam voort uit zijn streven naar een geheel nieuwe vorm van materie, een Bose-Einstein condensaat (BEC) genaamd. De condensaten zijn geen standaardgassen, vloeistoffen of zelfs vaste stoffen. Ze vormen zich wanneer een wolk van atomen—soms miljoenen of meer—allemaal dezelfde kwantumtoestand binnengaan en zich als één gedragen. Albert Einstein en de Indiase natuurkundige Satyendra Bose voorspelden in 1925 dat wetenschappers dergelijke materie konden genereren door atomen te onderwerpen aan temperaturen die het absolute nulpunt naderen. Zeventig jaar later creëerden Ketterle, werkzaam bij M. I. T., en bijna gelijktijdig Carl Wieman, werkzaam aan de Universiteit van Colorado in Boulder, en Eric Cornell van het National Institute of Standards and Technology in Boulder de eerste Bose-Einstein condensaten. De drie wonnen prompt een Nobelprijs. Ketterle ‘ s team gebruikt BECs om basiseigenschappen van materie te bestuderen, zoals samendrukbaarheid, en om vreemde lage temperatuurverschijnselen zoals superfluïditeit beter te begrijpen. Uiteindelijk hoopt Ketterle, net als veel natuurkundigen, nieuwe vormen van materie te ontdekken die kunnen fungeren als supergeleiders bij kamertemperatuur, wat een revolutie zou betekenen in de manier waarop mensen energie gebruiken. Voor de meeste Nobelprijswinnaars bekroont de honor een lange carrière. Maar voor Ketterle, die 44 jaar oud was toen hij de zijne kreeg, opende de creatie van BECs een nieuw veld dat hij en zijn collega ‘ s tientallen jaren zullen verkennen.een andere kanshebber voor de koudste plek is aan de overkant van Cambridge, in Lene Vestergaard Hau ‘ s lab op Harvard. Haar persoonlijk record is een paar miljoenste van een graad F boven het absolute nulpunt, dicht bij Ketterle ‘ s, die ook zij bereikte tijdens het creëren van BECs. “We maken nu elke dag BECs”, zegt ze als we een trappenhuis afdalen naar een lab vol met apparatuur. Een biljart-tafel-formaat platform in het midden van de kamer ziet eruit als een doolhof gebouwd van kleine ovale spiegels en potlood-lood-dunne laserstralen. Becs, Hau en haar collega ‘ s hebben iets gedaan dat onmogelijk lijkt: ze hebben het licht bijna tot stilstand gebracht.de snelheid van het licht, zoals we allemaal hebben gehoord, is een constante: 186.171 mijl per seconde in een vacuüm. Maar het is anders in de echte wereld, buiten een vacuüm; bijvoorbeeld, licht buigt niet alleen, maar vertraagt ook een beetje als het door glas of water gaat. Toch, dat is niets vergeleken met wat er gebeurt als Hau een laserstraal van licht in een BEC schijnt: het is als het gooien van een honkbal in een kussen. “Eerst hebben we de snelheid teruggebracht tot die van een fiets”, zegt Hau. “Nu is het op een kruip, en we kunnen het eigenlijk stoppen—houd licht volledig gebotteld in de BEC, kijk ernaar, speel ermee en laat het dan los als we klaar zijn.”
zij is in staat om licht op deze manier te manipuleren omdat de dichtheid en de temperatuur van de BEC de lichtpulsen vertraagt. (Ze nam onlangs de experimenten een stap verder, het stoppen van een puls in een BEC, omzetten in elektrische energie, overbrengen naar een andere BEC, dan loslaten en het weer op zijn weg te sturen. Hau gebruikt BECs om meer te ontdekken over de aard van licht en hoe “slow light”te gebruiken—dat wil zeggen, licht gevangen in BECs—om de verwerkingssnelheid van computers te verbeteren en nieuwe manieren te bieden om informatie op te slaan.
niet alle ultracold-onderzoek wordt uitgevoerd met BECs. In Finland, bijvoorbeeld, manipuleert natuurkundige Juha Tuoriniemi magnetisch de kernen van rhodiumatomen om temperaturen te bereiken van 180 biljoenste van een graad F boven het absolute nulpunt. (Het Guinness record niettegenstaande, veel experts crediteren Tuoriniemi met het bereiken van nog lagere temperaturen dan Ketterle, maar dat hangt af van of je het meten van een groep atomen, zoals een BEC, of alleen delen van atomen, zoals de kernen.)
Het lijkt misschien dat absolute nul de moeite waard is om te proberen te bereiken, maar Ketterle zegt dat hij beter Weet. “We proberen het niet,” zegt hij. “Waar we zijn is koud genoeg voor onze experimenten.”Het is gewoon niet de moeite waard-niet te vergeten, volgens de natuurkundigen begrip van warmte en de wetten van de thermodynamica, onmogelijk. “Om alle energie uit te zuigen, elk laatste beetje ervan, en het bereiken van nul energie en absolute nul—dat zou de leeftijd van het universum te bereiken.”
Tom Shachtman is de auteur van Absolute Zero and the Conquest of Cold, de basis voor een toekomstige PBS” Nova ” documentaire.