gdzie jest najzimniejsze miejsce we wszechświecie? Nie na Księżycu, gdzie temperatura spada do minus 378 Fahrenheita. Nawet w najgłębszej przestrzeni kosmicznej, która ma szacowaną temperaturę tła około minus 455°F. o ile naukowcy mogą powiedzieć, najniższe temperatury, jakie kiedykolwiek osiągnięto, były ostatnio obserwowane tutaj na ziemi.
rekordowe spadki były jednymi z najnowszych osiągnięć ultrazimnej fizyki, laboratoryjnego badania materii w temperaturach tak oszałamiająco oziębłych, że atomy, a nawet samo światło zachowują się w bardzo nietypowy sposób. Opór elektryczny w niektórych elementach znika poniżej około minus 440°F, zjawisko zwane nadprzewodnictwem. W jeszcze niższych temperaturach niektóre skroplone gazy stają się” superfluidami ” zdolnymi do wyciekania przez ściany wystarczająco stałe, aby pomieścić jakikolwiek inny rodzaj cieczy; wydają się nawet przeciwstawiać grawitacji, gdy pełzają, wychodzą i wychodzą ze swoich pojemników.
fizycy przyznają, że nigdy nie osiągną najzimniejszej możliwej temperatury, znanej jako zero absolutne i dawno temu obliczonej na minus 459,67°F. dla fizyków temperatura jest miarą tego, jak szybko poruszają się Atomy, odbiciem ich energii—a zero absolutne jest punktem, w którym nie ma absolutnie żadnej energii cieplnej, która mogłaby zostać pobrana z substancji.
ale kilku fizyków ma zamiar zbliżyć się jak najbliżej tego teoretycznego limitu, i było to, aby uzyskać lepszy widok na najbardziej rozrzedzone zawody, które odwiedziłem w laboratorium Wolfganga Ketterle ’ a w Massachusetts Institute of Technology w Cambridge. Obecnie posiada rekord-przynajmniej według Rekordów Guinnessa 2008-najniższej temperatury: 810 bilionów stopnia f powyżej zera bezwzględnego. Ketterle i jego współpracownicy dokonali tego w 2003 roku podczas pracy z chmurą—około tysięcznej cala średnicy-cząsteczek sodu uwięzionych w miejscu przez magnesy.
proszę Ketterle o pokazanie mi miejsca, w którym ustanowili rekord. Założyliśmy gogle, aby chronić się przed oślepieniem przez światło podczerwone z wiązek laserowych, które są używane do spowalniania, a tym samym chłodzenia szybko poruszających się cząstek atomowych. Przechodzimy przez korytarz z jego słonecznego biura do ciemnego pokoju z połączoną mieszanką przewodów, małych lusterek, lamp próżniowych, źródeł laserowych i sprzętu komputerowego o dużej mocy. „Właśnie tutaj”, mówi, jego głos rośnie z podniecenia, gdy wskazuje na czarną skrzynkę, która ma owiniętą folią aluminiową rurkę prowadzącą do niej. „Tutaj osiągnęliśmy najzimniejszą temperaturę.”
osiągnięcie Ketterle ’ a wynikało z jego poszukiwania zupełnie nowej formy materii zwanej kondensatem Bosego-Einsteina (BEC). Kondensaty nie są standardowymi gazami, cieczami, a nawet ciałami stałymi. Tworzą się, gdy chmura atomów—czasami miliony lub więcej—wszystkie wchodzą w ten sam stan kwantowy i zachowują się jak jeden. Albert Einstein i indyjski fizyk Satyendra Bose przewidzieli w 1925 roku, że naukowcy mogą wytworzyć taką materię, poddając Atomy temperaturom zbliżającym się do zera absolutnego. Siedemdziesiąt lat później, Ketterle, pracujący w M. I. T., i prawie jednocześnie, Carl Wieman, pracujący na University of Colorado w Boulder, i Eric Cornell z National Institute of Standards and Technology w Boulder stworzył pierwsze kondensaty Bose-Einsteina. Trójka szybko zdobyła Nagrodę Nobla. Zespół Ketterle ’ a wykorzystuje BECs do badania podstawowych właściwości materii, takich jak ściśliwość, i lepszego zrozumienia dziwnych zjawisk w niskich temperaturach, takich jak nadciekłość. Ostatecznie Ketterle, podobnie jak wielu fizyków, ma nadzieję odkryć nowe formy materii, które mogłyby działać jako nadprzewodniki w temperaturze pokojowej, co zrewolucjonizowałoby sposób, w jaki ludzie wykorzystują energię. Dla większości laureatów Nagrody Nobla honor kończy długą karierę. Ale dla Ketterle ’ a, który miał 44 lata, kiedy został nagrodzony, stworzenie BECs otworzyło nowe pole, które on i jego koledzy będą eksplorować przez dziesięciolecia.
kolejny pretendent do najzimniejszego miejsca jest w Cambridge, w laboratorium Lene Vestergaard Hau na Harvardzie. Jej osobisty rekord to kilka milionowych części stopnia F powyżej zera absolutnego, blisko Ketterle ’ a, który również osiągnęła podczas tworzenia BECs. „Produkujemy BECs każdego dnia”, mówi, gdy schodzimy schodami do laboratorium pełnego sprzętu. Platforma wielkości stołu bilardowego na środku pokoju wygląda jak labirynt zbudowany z maleńkich owalnych luster i cienkich wiązek laserowych ołówkowo-ołowiowych. Wykorzystując BECs, Hau i jej współpracownicy zrobili coś, co może wydawać się niemożliwe: zwolnili światło do Wirtualnego zatrzymania.
prędkość światła, jak wszyscy słyszeliśmy, jest stała: 186,171 mil na sekundę w próżni. Ale inaczej jest w świecie rzeczywistym, poza próżnią; na przykład światło nie tylko wygina się, ale także zwalnia nieznacznie, gdy przechodzi przez szkło lub wodę. Mimo to, to nic w porównaniu z tym, co się dzieje, gdy Hau świeci wiązką laserową światła w BEC: to jak rzucanie piłką baseballową w poduszkę. „Po pierwsze, zmniejszyliśmy prędkość do prędkości roweru”, mówi Hau. „Teraz jest w czołganiu się i możemy go zatrzymać—trzymaj światło całkowicie zamknięte w BEC, spójrz na to, pobaw się nim, a następnie uwolnij, gdy będziemy gotowi.”
jest w stanie manipulować światłem w ten sposób, ponieważ gęstość i temperatura BEC spowalnia impulsy światła w dół. (Niedawno zrobiła eksperymenty o krok dalej, zatrzymując impuls w jednym BEC, przekształcając go w energię elektryczną, przenosząc go do innego BEC, a następnie uwalniając go i wysyłając ponownie w drogę.) Hau wykorzystuje BECs, aby dowiedzieć się więcej o naturze światła i jak używać „slow light” —czyli światła uwięzionego w BECs-aby poprawić szybkość przetwarzania komputerów i zapewnić nowe sposoby przechowywania informacji.
nie wszystkie badania ultrazimne są wykonywane przy użyciu BECs. Na przykład w Finlandii fizyk Juha Tuoriniemi manipuluje magnetycznie rdzeniami atomów rodu, aby osiągnąć temperaturę 180 trylionów stopnia f powyżej zera bezwzględnego. (Pomimo rekordu Guinnessa, wielu ekspertów przypisuje Tuoriniemu osiągnięcie jeszcze niższych temperatur niż Ketterle, ale to zależy od tego, czy mierzysz grupę atomów, takich jak BEC, czy tylko części atomów, takich jak jądra.)
może się wydawać, że warto spróbować osiągnąć zero absolutne, ale Ketterle mówi, że wie lepiej. „Nie próbujemy”, mówi. „Tam, gdzie jesteśmy, jest wystarczająco zimno do naszych eksperymentów.”Po prostu nie warto się trudzić—nie wspominając, że według fizyków rozumienie ciepła i praw termodynamiki jest niemożliwe. „Wyssanie całej energii, każdej jej części i osiągnięcie zerowej energii i zera absolutnego-to wymagałoby wieku wszechświata, aby to osiągnąć.”
Tom Shachtman jest autorem absolutnego zera i podboju zimna, podstawy przyszłego dokumentu PBS” Nova”.