Missä on maailmankaikkeuden kylmin paikka? Ei kuulla, missä lämpötila laskee vain miinus 378 Fahrenheitiin. Ei edes syvimmässä ulkoavaruudessa, jonka arvioitu taustalämpötila on noin miinus 455 ° F. Sikäli kuin tutkijat voivat kertoa, alhaisimmat koskaan saavutetut lämpötilat havaittiin äskettäin täällä maan päällä.
Asiaan liittyvä sisältö
- Jälkikirjojen seuranta
- Absoluuttinen nolla
Ennätykselliset matalat olivat viimeisimpiä ultrakevytfysiikan kohteita, aineen laboratoriotutkimus lämpötiloissa, jotka ovat niin mielenkiintoisia, jäykkiä, että atomit ja jopa valo itse käyttäytyvät erittäin epätavallisilla tavoilla. Joidenkin elementtien sähkövastus katoaa alle miinus 440 ° F: n, ilmiötä, jota kutsutaan suprajohtavuudeksi. Vielä alhaisemmissa lämpötiloissa joistakin nesteytetyistä kaasuista tulee "supernesteitä", jotka kykenevät valumaan seinien läpi riittävän kiinteinä pitämään kaikenlaista nestettä; ne näyttävät jopa uhmatavan painovoimaa hiipiessä ylös ja ulos säiliöistään.
Fyysikot myöntävät, että he eivät voi koskaan saavuttaa kylmintä mahdollista lämpötilaa, joka tunnetaan absoluuttisena nollana ja kauan sitten laskettuna miinus 459.67 ° F. Fyysikoille lämpötila on mitta siitä, kuinka nopeasti atomit liikkuvat, niiden energian heijastus - ja absoluuttinen nolla on kohta, jossa ei ole mitään lämpöenergiaa jäljelle jääväksi aineesta uutettavaksi.
Mutta muutamat fyysikot pyrkivät pääsemään mahdollisimman lähelle tätä teoreettista rajaa, ja kävin vierailemassa Wolfgang Ketterlen laboratoriossa Massachusettsin teknillisessä instituutissa Cambridgessä paremman kuvan siitä harvinaisimmasta kilpailusta. Tällä hetkellä sillä on ennätys - ainakin vuoden Guinness World Records 2008 mukaan - alimmasta lämpötilasta: 810 biljoonaosaa F-astetta absoluuttisen nollan yläpuolella. Ketterle ja hänen kollegansa saavuttivat tämän saavutuksen vuonna 2003 työskennellessään pilvien kanssa - noin tuhannesosa tuumaa - natriummolekyyleistä, jotka olivat loukussa magneettien kanssa.
Pyydän Ketterleä näyttämään minulle paikan, jossa he olivat asettaneet ennätyksen. Laitamme suojalaseja suojautuaksemme sokeutumiselta infrapunasäteilyltä lasersäteiltä, joita käytetään hidastamaan ja siten jäähdyttämään nopeasti liikkuvia atomihiukkasia. Ylitämme salin hänen aurinkoisesta toimistostaan pimeään huoneeseen, jossa on kytketty johtimet, pienet peilit, tyhjiöputket, laserlähteet ja suuritehoiset tietokonelaitteet. "Juuri täällä", hän sanoo, hänen äänensä nousee kiihtyneenä osoittaessaan mustaa laatikkoa, jossa on alumiinifolioon kääritty putki. "Tässä meillä oli kylmä lämpötila."
Ketterlen saavutus syntyi hänen harjoittamisesta aivan uudelle ainemuodolle, nimeltään Bose-Einstein-kondensaatti (BEC). Kondensaatit eivät ole tavanomaisia kaasuja, nesteitä tai edes kiinteitä aineita. Ne muodostuvat, kun atomipilvi - joskus miljoonia tai enemmän - kaikki saapuvat samaan kvantitilaan ja käyttäytyvät yhtenä. Albert Einstein ja intialainen fyysikko Satyendra Bose ennustivat vuonna 1925, että tutkijat voisivat tuottaa tällaista ainetta altistamalla atomit lämpötilaan, joka lähestyy absoluuttista nollaa. Seitsemänkymmentä vuotta myöhemmin MIT: ssä työskentelevä Ketterle ja melkein samanaikaisesti Boulderin Coloradon yliopistossa työskentelevä Carl Wieman ja Boulderin kansallisesta standardi- ja tekniikkainstituutista kuuluva Eric Cornell loivat ensimmäiset Bose-Einsteinin kondensaatit. Nämä kolme voittivat nopeasti Nobel-palkinnon. Ketterlen joukkue käyttää BEC: itä tutkiakseen aineen perusominaisuuksia, kuten puristuvuutta, ja ymmärtämään paremmin outoja matalalämpötilan ilmiöitä, kuten ylivirtausta. Viime kädessä Ketterle, kuten monet fyysikot, toivoo löytävänsä uusia ainemuotoja, jotka voisivat toimia suprajohteina huoneenlämpötilassa, mikä mullistaa miten ihmiset käyttävät energiaa. Useimmille Nobel-palkinnon saajille kunnia-aika on pitkä ura. Mutta Ketterlelle, joka oli 44-vuotias, kun hänelle myönnettiin palkinto, BEC: ien perustaminen avasi uuden kentän, jota hän ja hänen kollegansa tutkivat vuosikymmenien ajan.
Toinen haastaja kylmimmälle paikalle on Cambridgen yli, Lene Vestergaard Haun laboratoriossa Harvardissa. Hänen henkilökohtainen parhaansa on muutama miljoonasosa F-asteesta absoluuttisen nollan yläpuolella, lähellä Ketterleä, jonka hän myös saavutti luomalla BEC-arvoja. "Teemme BEC-arvoja nyt joka päivä", hän sanoo, kun menemme portaikkoon laboratorioon, joka on varustettu laitteilla. Huoneen keskellä oleva biljardipöydän kokoinen taso näyttää kuin sokkelo, joka on valmistettu pienistä soikeista peileistä ja lyijykynä-ohuista lasersäteistä. Valmistamalla BEC: t, Hau ja hänen työtoverinsa ovat tehneet jotain, joka saattaa tuntua mahdottomalta: he ovat hidastaneet valoa virtuaaliseen pysähdykseen.
Valon nopeus, kuten olemme kaikki kuulleet, on vakio: 186 171 mailia sekunnissa tyhjiössä. Mutta todellisessa maailmassa on erilainen tyhjiön ulkopuolella; esimerkiksi valo ei vain taipuu, vaan myös hidastuu niin vähän, kun se kulkee lasin tai veden läpi. Silti, se ei ole mitään verrattuna siihen, mitä tapahtuu, kun Hau loistaa lasersäteen BEC: ksi: se on kuin heittää baseball tyynyyn. "Ensinnäkin nopeus laskettiin polkupyörän nopeuteen", Hau sanoo. "Nyt se on indeksoinnissa, ja voimme tosiasiallisesti lopettaa sen - pitää valot pullotettuna kokonaan BEC: n sisäpuolelle, katsoa sitä, leikkiä sen kanssa ja vapauttaa se sitten kun olemme valmiita."
Hän osaa manipuloida valoa tällä tavalla, koska BEC: n tiheys ja lämpötila hidastavat valopulsseja. (Hän otti äskettäin kokeita askeleen pidemmälle, pysäyttäen pulssin yhdessä BEC: ssä, muuntamalla sen sähköenergiaksi, siirtämällä sen toiseen BEC: iin, vapauttamalla sen ja lähettämällä sen matkalle uudestaan.) Hau käyttää BEC: iä saadakseen lisätietoja luonnosta valoa ja kuinka käyttää "hidasta valoa" - eli BEC: iin loukkuun jäänyttä - tietokoneiden käsittelynopeuden parantamiseksi ja tarjoamaan uusia tapoja tallentaa tietoja.
Kaikkia ultrakertaisia tutkimuksia ei suoriteta käyttämällä BEC: itä. Esimerkiksi Suomessa fyysikko Juha Tuoriniemi manipuloi magneettisesti rodiumatomien ytimiä saavuttaakseen 180 biljoonaosan lämpötilan F astetta absoluuttisen nollan yläpuolelle. (Guinness-ennätyksestä huolimatta monet asiantuntijat arvostavat Tuoriniemen saavuttamista jopa alhaisemmissa lämpötiloissa kuin Ketterle, mutta se riippuu siitä, mittaatko atomiryhmää, kuten BEC, vai vain atomien osia, kuten ytimiä.)
Voi tuntua, että absoluuttinen nolla on syytä yrittää saavuttaa, mutta Ketterle sanoo tietävänsä paremmin. "Emme yritä", hän sanoo. "Missä olemme, on tarpeeksi kylmä kokeillemme." Se ei yksinkertaisesti ole vaivan arvoista - puhumattakaan siitä, että fyysikot ymmärtävät lämpöä ja termodynamiikan lakeja, on mahdotonta. "Imetämään kaikki energia, jokainen viimeinen bitti siitä, ja saavuttamaan nollaenergia ja absoluuttinen nolla - jonka toteuttaminen vie maailmankauden ajan."
Tom Shachtman on kirjoittanut Absoluuttisen nollan ja Kylmän valloituksen, joka on perusta tulevalle PBS "Nova" -dokumenttille.
