Var är den kallaste platsen i universum? Inte på månen, där temperaturen sjunker till bara minus 378 Fahrenheit. Inte ens i djupaste yttre rymden, som har en uppskattad bakgrundstemperatur på cirka minus 455 kcal F. såvitt forskare kan berätta, observerades De lägsta temperaturerna som någonsin uppnåtts nyligen här på jorden.
de rekordhöga nedgångarna var bland de senaste prestationerna av ultrakold fysik, laboratoriestudien av materia vid temperaturer så otroligt frigid att atomer och till och med ljus själv beter sig på mycket ovanliga sätt. Elektrisk resistans i vissa element försvinner under cirka minus 440 kcal f, ett fenomen som kallas supraledning. Vid ännu lägre temperaturer blir vissa flytande gaser” superfluider ” som kan sippra genom väggar som är tillräckligt fasta för att hålla någon annan typ av vätska; de verkar till och med trotsa tyngdkraften när de kryper upp, över och ut ur sina behållare.
fysiker erkänner att de aldrig kan nå den kallaste tänkbara temperaturen, känd som absolut noll och för länge sedan beräknad att vara minus 459,67 kcal F. För fysiker är temperaturen ett mått på hur snabbt atomer rör sig, en återspegling av deras energi—och absolut noll är den punkt där det absolut inte finns någon värmeenergi kvar att extraheras från ett ämne.men några fysiker har för avsikt att komma så nära som möjligt till den teoretiska gränsen, och det var att få en bättre bild av det mest sällsynta av tävlingar som jag besökte Wolfgang Ketterles laboratorium vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. Det håller för närvarande rekordet—åtminstone enligt Guinness World Records 2008—för lägsta temperatur: 810 trillionths av en grad F över absolut noll. Ketterle och hans kollegor åstadkom den prestationen 2003 medan de arbetade med ett moln—ungefär en tusendels tum över—av natriummolekyler fångade på plats av magneter.
Jag ber Ketterle att visa mig platsen där de skulle ställa in posten. Vi tar på oss skyddsglasögon för att skydda oss från att bli förblindade av infrarött ljus från laserstrålarna som används för att sakta ner och därmed kyla snabbt rörliga atompartiklar. Vi korsar hallen från hans soliga Kontor till ett mörkt rum med ett sammankopplat virrvarr av ledningar, små speglar, vakuumrör, laserkällor och kraftfull datorutrustning. ”Just här”, säger han, hans röst stiger med spänning när han pekar på en svart låda som har ett aluminiumfolieförpackat rör som leder in i det. ”Det var här vi gjorde den kallaste temperaturen.”Ketterles prestation kom ut ur hans strävan efter en helt ny form av materia som kallas ett Bose-Einstein-kondensat (BEC). Kondensat är inte standardgaser, vätskor eller till och med fasta ämnen. De bildas när ett moln av atomer—ibland miljoner eller mer—alla går in i samma kvanttillstånd och beter sig som en. Albert Einstein och den indiska fysikern Satyendra Bose förutspådde 1925 att forskare kunde generera sådan materia genom att utsätta atomer för temperaturer som närmar sig absolut noll. Sjuttio år senare skapade Ketterle, som arbetade på M. I. T., och nästan samtidigt Carl Wieman, som arbetade vid University of Colorado i Boulder, och Eric Cornell från National Institute of Standards and Technology i Boulder de första Bose-Einstein-kondensat. De tre vann omedelbart ett Nobelpris. Ketterles team använder BECs för att studera grundläggande egenskaper hos materia, såsom kompressibilitet, och bättre förstå konstiga lågtemperaturfenomen som superfluiditet. I slutändan hoppas Ketterle, som många fysiker, upptäcka nya former av materia som kan fungera som superledare vid rumstemperatur, vilket skulle revolutionera hur människor använder energi. För de flesta Nobelprisvinnare lockar honor en lång karriär. Men för Ketterle, som var 44 år gammal när han tilldelades hans, öppnade skapandet av BECs ett nytt fält som han och hans kollegor kommer att utforska i årtionden.
en annan utmanare för den kallaste platsen är över Cambridge, i Lene Vestergaard Haus laboratorium vid Harvard. Hennes personliga bästa är några miljoner av en grad F över absolut noll, nära Ketterles, som hon också nådde när hon skapade BECs. ”Vi gör BECs varje dag nu”, säger hon när vi går ner i ett trapphus till ett labb packat med utrustning. En plattform med biljardbord i mitten av rummet ser ut som en labyrint konstruerad av små ovala speglar och blyerts-tunna laserstrålar. Utnyttja BECs, Hau och hennes medarbetare har gjort något som kan tyckas omöjligt: de har saktat ljus till en virtuell stillastående.ljusets hastighet, som vi alla har hört, är en konstant: 186,171 miles per sekund i vakuum. Men det är annorlunda i den verkliga världen, utanför ett vakuum; till exempel böjer ljuset inte bara utan saktar också någonsin så lite när det passerar genom glas eller vatten. Ändå är det ingenting jämfört med vad som händer när Hau lyser en laserstråle av ljus i en BEC: det är som att kasta en baseball i en kudde. ”Först fick vi hastigheten ner till en cykel,” säger Hau. ”Nu är det på en krypning, och vi kan faktiskt stoppa det—Håll ljuset flaskat upp helt inuti BEC, titta på det, leka med det och släpp det sedan när vi är redo.”
hon kan manipulera ljus på detta sätt eftersom densiteten och temperaturen på BEC saktar ner ljuspulserna. (Hon tog nyligen experimenten ett steg längre, stoppade en puls i en BEC, omvandlade den till elektrisk energi, överförde den till en annan BEC, släppte sedan den och skickade den på väg igen.) Hau använder BECs för att upptäcka mer om ljusets natur och hur man använder ”långsamt ljus”—det vill säga ljus som fångats i BECs—för att förbättra datorns bearbetningshastighet och ge nya sätt att lagra information.
inte all ultracold forskning utförs med hjälp av BECs. I Finland manipulerar till exempel fysikern Juha Tuoriniemi magnetiskt kärnorna i rodiumatomer för att nå temperaturer på 180 biljoner av en grad F över absolut noll. (Guinness record trots att många experter krediterar Tuoriniemi med att uppnå ännu lägre temperaturer än Ketterle, men det beror på om du mäter en grupp atomer, till exempel en BEC, eller bara delar av atomer, såsom kärnorna.)
det kan tyckas att absolut noll är värt att försöka uppnå, men Ketterle säger att han vet bättre. ”Vi försöker inte”, säger han. ”Där vi är är kallt nog för våra experiment.”Det är helt enkelt inte värt besväret—för att inte tala om, enligt fysikernas förståelse av värme och termodynamikens lagar, omöjligt. ”Att suga ut all energi, varje sista bit av den och uppnå noll energi och absolut noll—det skulle ta universums ålder att uppnå.”
Tom Shachtman är författaren till Absolute Zero och Conquest of Cold, grunden för en framtida PBS ”Nova” – dokumentär.