Gdzie jest najzimniejsze miejsce we wszechświecie? Nie na Księżycu, gdzie temperatura spada do zaledwie minus 378 Fahrenheita. Nawet w najgłębszym kosmosie, którego szacunkowa temperatura tła wynosi około minus 455 ° F. O ile naukowcy mogą powiedzieć, najniższe temperatury, jakie kiedykolwiek osiągnięto, zaobserwowano ostatnio na Ziemi.
powiązana zawartość
- Śledzenie Bighornsa
- Zero absolutne
Rekordowe minima były jednymi z najnowszych osiągnięć ultrazimnej fizyki, laboratoryjnym badaniem materii w temperaturach tak zadziwiająco mroźnych, że atomy, a nawet samo światło zachowują się w bardzo nietypowy sposób. Rezystancja elektryczna w niektórych elementach znika poniżej około minus 440 ° F, zjawiska zwanego nadprzewodnictwem. W jeszcze niższych temperaturach niektóre skroplone gazy stają się „nadciekłymi”, zdolnymi do przesiąkania przez ściany wystarczająco twardymi, aby pomieścić jakikolwiek inny rodzaj cieczy; zdają 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, jest odbiciem ich energii - a absolutne zero jest punktem, w którym absolutnie nie ma już energii cieplnej do wydobycia z substancji.
Ale kilku fizyków chce zbliżyć się jak najbardziej do teoretycznego limitu i było to, aby uzyskać lepszy wgląd w te najrzadsze zawody, które odwiedziłem w laboratorium Wolfganga Ketterle'a w Massachusetts Institute of Technology w Cambridge. Obecnie utrzymuje rekord - przynajmniej według Guinness World Records 2008 - dla najniższej temperatury: 810 trylionów stopnia F powyżej zera absolutnego. Ketterle i jego koledzy dokonali tego w 2003 roku, pracując z chmurą o średnicy około jednej tysięcznej cala cząsteczek sodu uwięzionych przez magnesy.
Proszę Ketterle'a, żeby pokazał mi miejsce, w którym ustanowili rekord. Zakładamy gogle, aby uchronić się przed oślepieniem światłem podczerwonym od wiązek laserowych, które służą do spowalniania, a tym samym chłodzenia szybko poruszających się cząstek atomowych. Przechodzimy przez hol z jego słonecznego biura do ciemnego pokoju z połączonymi ze sobą kłębami przewodów, małymi lustrami, lampami próżniowymi, źródłami lasera i sprzętem komputerowym o dużej mocy. „Właśnie tutaj”, mówi, a jego głos wznosi się z podniecenia, gdy wskazuje na czarne pudełko z prowadzącą do niego rurką owiniętą folią aluminiową. „Tutaj właśnie zrobiliśmy najniższą temperaturę”.
Osiągnięcie Ketterle'a wynikało z jego poszukiwań 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 milionów lub więcej - wchodzi w ten sam stan kwantowy i zachowuje się jak jeden. Albert Einstein i indyjski fizyk Satyendra Bose przewidzieli w 1925 r., Że naukowcy mogą wytwarzać taką materię, poddając atomy temperaturom zbliżonym do zera absolutnego. Siedemdziesiąt lat później Ketterle, pracujący w MIT i prawie jednocześnie Carl Wieman, pracujący na University of Colorado w Boulder oraz Eric Cornell z National Institute of Standards and Technology in Boulder stworzyli pierwsze kondensaty Bosego-Einsteina. Cała trójka natychmiast zdobyła Nagrodę Nobla. Zespół Ketterle wykorzystuje BEC do badania podstawowych właściwości materii, takich jak ściśliwość, i lepszego zrozumienia dziwnych zjawisk w niskiej temperaturze, takich jak nadciekłość. Ostatecznie Ketterle, podobnie jak wielu fizyków, ma nadzieję odkryć nowe formy materii, które mogą działać jako nadprzewodniki w temperaturze pokojowej, co zrewolucjonizuje sposób, w jaki ludzie wykorzystują energię. Dla większości laureatów Nagrody Nobla zaszczyt kończy długą karierę. Ale dla Ketterle'a, który miał 44 lata, kiedy otrzymał tę nagrodę, stworzenie BEC otworzyło nowe pole, które on i jego koledzy będą badać przez dziesięciolecia.
Kolejny pretendent do najzimniejszego miejsca jest po drugiej stronie Cambridge, w laboratorium Lene Vestergaard Hau w Harvardzie. Jej osobisty najlepszy wynik to kilka milionowych stopnia F powyżej absolutnego zera, zbliżony do Ketterle, do którego ona również osiągnęła tworząc BEC. „Teraz produkujemy BEC każdego dnia” - mówi, schodząc po schodach do laboratorium wypełnionego sprzętem. Platforma wielkości stołu bilardowego pośrodku pokoju wygląda jak labirynt zbudowany z maleńkich owalnych luster i cienkich wiązek laserowych ołowianych ołówkiem. Wykorzystując BEC, Hau i jej współpracownicy zrobili coś, co może wydawać się niemożliwe: spowolnili światło do wirtualnego zatrzymania.
Prędkość światła, jak wszyscy słyszeliśmy, jest stała: 186, 171 mil na sekundę w próżni. Ale w prawdziwym świecie jest inaczej, poza próżnią; na przykład światło nie tylko wygina się, ale także nieznacznie zwalnia, gdy przechodzi przez szkło lub wodę. To jednak nic w porównaniu z tym, co dzieje się, gdy Hau rzuca wiązkę światła laserowego na BEC: to jak wrzucenie baseballu do poduszki. „Po pierwsze, zmniejszyliśmy prędkość do prędkości roweru” - mówi Hau. „Teraz jest pełzanie i możemy go rzeczywiście zatrzymać - trzymaj światło w butelce całkowicie wewnątrz BEC, spójrz na niego, baw się nim, a następnie zwolnij go, gdy będziemy gotowi”.
Jest w stanie manipulować światłem w ten sposób, ponieważ gęstość i temperatura BEC spowalnia pulsowanie światła. (Niedawno posunęła eksperymenty o krok dalej, zatrzymując puls w jednym BEC, przekształcając go w energię elektryczną, przenosząc go na inny BEC, a następnie uwalniając i wysyłając go ponownie.) Hau używa BEC, aby dowiedzieć się więcej o naturze światła i jak używać „wolnego światła” - to znaczy światła uwięzionego w BEC - w celu poprawy szybkości przetwarzania komputerów i zapewnienia nowych sposobów przechowywania informacji.
Nie wszystkie ultrazimne badania są przeprowadzane przy użyciu BEC. Na przykład w Finlandii fizyk Juha Tuoriniemi manipuluje magnetycznie rdzeniami atomów rodu, aby osiągnąć temperaturę 180 trylionów stopnia F powyżej zera absolutnego. (Pomimo rekordu Guinnessa wielu ekspertów przypisuje Tuoriniemi osiągnięcie nawet 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 osiągnąć zero bezwzględne, ale Ketterle mówi, że wie lepiej. „Nie próbujemy” - mówi. „Gdzie jesteśmy, jest wystarczająco zimno dla naszych eksperymentów”. Po prostu nie jest to warte kłopotu - nie wspominając, że według fizyków rozumienia ciepła i praw termodynamiki jest to niemożliwe. „Wyssanie całej energii, każdej jej części i osiągnięcie zerowej energii i absolutnego zera - zajęłoby to wiek wszechświata.”
Tom Shachtman jest autorem filmu Absolute Zero and Conquest of Cold, który jest podstawą przyszłego filmu dokumentalnego PBS „Nova”.
