Kje je najbolj hladno mesto v vesolju? Ne na Luni, kjer temperatura pade na minus minus 378 Fahrenheit. Niti v najglobljem vesolju, ki ima ocenjeno temperaturo v ozadju približno minus 455 ° F. Kolikor znanstveniki lahko povedo, so bile najnovejše temperature, dosežene doslej, opažene prav tukaj na zemlji.
Sorodne vsebine
- Sledenje Bighornom
- Absolutna ničla
Rekordne nivoje so bile med najnovejšimi podvigi ultrahladne fizike, laboratorijsko preučevanje snovi pri temperaturah, tako zaničljivo frigidnih, da se atomi in celo svetloba obnašajo na zelo nenavaden način. Električni upor v nekaterih elementih izgine pod približno minus 440 ° F, pojav, imenovan superprevodnost. Pri še nižjih temperaturah nekateri utekočinjeni plini postanejo "presežne tekočine", ki lahko skozi stene iztečejo dovolj trdno, da zadržijo katero koli drugo vrsto tekočine; zdi se, da kljubujejo gravitaciji, ko plazijo navzgor, čez in zunaj svojih zabojnikov.
Fiziki priznavajo, da nikoli ne morejo doseči najhladnejše možne temperature, znane kot absolutna nič in že zdavnaj izračunano na minus 459, 67 ° F. Za fizike je temperatura merilo, kako se hitro gibljejo atomi, odraz njihove energije - in absolutna nič je točka, na kateri absolutno ni preostale toplotne energije, ki bi jo bilo mogoče črpati iz snovi.
Toda nekaj fizikov se namerava čim bolj približati tej teoretični meji in to je bil boljši pogled na tisto najbolj redko tekmovanje, ki sem ga obiskal v laboratoriju Wolfganga Ketterleja na Massachusetts Institute of Technology v Cambridgeu. Trenutno drži rekord - vsaj glede na Guinnessove svetovne rekorde 2008 - za najnižjo temperaturo: 810 trilijonov stopinje F nad absolutno ničlo. Ketterle in njegovi sodelavci so ta podvig dosegli leta 2003, ko so delali z oblakom - približno tisočinko palca - molekul natrija, ujetimi z magneti.
Prosim Ketterle, da mi pokaže mesto, kjer bi postavili ploščo. Očala si nadenemo, da se zaščitimo pred zaslepitvijo z infrardečo svetlobo iz laserskih žarkov, ki se uporabljajo za upočasnitev in s tem hlajenje hitro premikajočih se atomskih delcev. Prehodimo dvorano iz njegove sončne pisarne v temno sobo z medsebojno povezano žico, majhnimi ogledali, vakuumskimi cevmi, laserskimi viri in visoko zmogljivo računalniško opremo. "Tukaj, " pravi, glas od vznemirjenja se mu dvigne, ko kaže na črno škatlico, ki v njej vodi cev z aluminijasto folijo. "Tu smo dosegli najhladnejšo temperaturo."
Ketterlejev dosežek je izhajal iz njegovega zasledovanja povsem nove oblike snovi, imenovane Bose-Einsteinov kondenzat (BEC). Kondenzati niso običajni plini, tekočine ali celo trdne snovi. Nastanejo, ko oblak atomov - včasih na milijone ali več - vsi vstopijo v isto kvantno stanje in se obnašajo kot eno. Albert Einstein in indijski fizik Satyendra Bose sta leta 1925 napovedala, da bi znanstveniki lahko tovrstno snov ustvarili tako, da bi atome podvrgli temperaturam, ki se približajo absolutni ničli. Sedemdeset let pozneje sta Ketterle, ki je delala na MIT, in skoraj istočasno Carl Wieman, ki dela na Univerzi v Koloradu pri Boulderju, in Eric Cornell z Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo v Boulderju ustvaril prve Bose-Einsteinove kondenzate. Trojica je takoj dobila Nobelovo nagrado. Ketterlejeva ekipa uporablja BEC-e za preučevanje osnovnih lastnosti snovi, kot je stisljivost, in za boljše razumevanje čudnih nizkotemperaturnih pojavov, kot je na primer pretočnost. Ketterle, kot mnogi fiziki, upa, da bo odkril nove oblike snovi, ki bi lahko delovale kot superprevodniki pri sobni temperaturi, kar bi lahko spremenilo, kako ljudje uporabljajo energijo. Za večino dobitnikov Nobelove nagrade čast pokriva dolgo kariero. Toda za Ketterle, ki je bil star 44 let, ko so ga podelili, je ustanovitev BEC odprla novo področje, ki ga bodo skupaj s sodelavci raziskovali desetletja.
Naslednji kandidat za najhladnejšo točko je čez Cambridge, v laboratoriju Lene Vestergaard Hau na Harvardu. Njeno osebno najboljše je nekaj milijonov stopinj F nad absolutno ničlo, blizu Ketterlejevih, kar je tudi ona dosegla med ustvarjanjem BEC. "Zdaj pripravljamo BEC vsak dan, " pravi, ko se spuščamo po stopnišču do laboratorija, polnega opreme. Platforma velikosti mize za biljard v središču sobe je videti kot labirint, sestavljen iz drobnih ovalnih ogledal in laserskih žarkov tankih svinčnikov. Hau in njeni sodelavci so izkoristili nekaj, kar se morda zdi nemogoče: upočasnili so svetlobo do navideznega zastoja.
Hitrost svetlobe, kot smo že vsi slišali, je konstantna: 186, 171 milje na sekundo v vakuumu. V resničnem svetu pa je drugače, zunaj praznine; na primer, svetloba se ne le upogne, ampak tudi počasi počasi, ko prehaja skozi steklo ali vodo. Kljub temu pa to ni nič v primerjavi s tistim, kar se zgodi, ko Hau laserski žarek svetlobe preusmeri v BEC: to je kot, da baseball zabiješ v blazino. "Najprej smo hitrost znižali na hitrost kolesa, " pravi Hau. "Zdaj je na plaz in dejansko ga lahko zaustavimo - svetlobo v celoti uskladite v BEC, si jo oglejte, se poigrajte z njo in jo nato sprostite, ko bomo pripravljeni."
Tako lahko manipulira s svetlobo, ker gostota in temperatura BEC upočasnjujeta pulze svetlobe. (Pred kratkim je poskus naredila še korak dlje, zaustavila je impulz v enem BEC, ga pretvorila v električno energijo, ga prenesla na drugega BEC, nato ga sprostila in spet poslala na pot.) Hau uporablja BEC, da odkrije več o naravi svetlobe in kako uporabljati "počasno svetlobo" - to je svetloba, ujeta v BEC - za izboljšanje hitrosti obdelave računalnikov in zagotavljanje novih načinov za shranjevanje informacij.
Niso vse ultrahladne raziskave opravljene z uporabo BEC. Na Finskem na primer fizik Juha Tuoriniemi magnetno manipulira z jedri rodijevih atomov, da doseže temperature 180 trilijonov stopinje F nad absolutno ničlo. (Ne glede na Guinnessov rekord, mnogi strokovnjaki priznavajo Tuoriniemiju doseganje celo nižjih temperatur kot Ketterle, vendar je to odvisno od tega, ali merite skupino atomov, kot je BEC, ali le dele atomov, kot so jedra.)
Morda se zdi, da je absolutno ničlo vredno poskusiti doseči, toda Ketterle pravi, da ve bolje. "Ne poskušamo, " pravi. "Tam, kjer smo, je dovolj hladno za naše poskuse." Preprosto ni vredno težav - da fizikalci ne razumejo toplote in zakonov termodinamike, da ne govorimo. "Če bi izsesali vso energijo, vsak zadnji del te energije in dosegli nič energije in absolutno ničlo - to bi trajalo starost vesolja."
Tom Shachtman je avtor Absolute Zero in The Conquest of Cold, ki je osnova za prihodnji dokumentarni film PBS "Nova".
