Πού είναι το πιο κρύο σημείο στο σύμπαν; Όχι στο φεγγάρι, όπου η θερμοκρασία πέφτει σε απλά μείον 378 Φαρενάιτ. Ακόμη και στον βαθύτερο εξωτερικό χώρο, ο οποίος έχει εκτιμώμενη θερμοκρασία περιβάλλοντος περίπου 455 ° F. Όσον αφορά τους επιστήμονες, οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που παρατηρήθηκαν παρατηρήθηκαν πρόσφατα εδώ στη γη.
σχετικό περιεχόμενο
- Παρακολουθώντας τους Bighorns
- Απόλυτο μηδενικό
Τα χαμηλότατα ρεκόρ ήταν μεταξύ των τελευταίων τελετουργιών της υπερβολικής φυσικής, της εργαστηριακής μελέτης της ύλης σε θερμοκρασίες τόσο μυριγγοπαθών ψυχρών ώστε τα άτομα και ακόμη και το φως να συμπεριφέρονται με εξαιρετικά ασυνήθιστους τρόπους. Η ηλεκτρική αντίσταση σε ορισμένα στοιχεία εξαφανίζεται κάτω από περίπου 440 ° F, ένα φαινόμενο που ονομάζεται υπεραγωγιμότητα. Σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες, μερικά υγροποιημένα αέρια καθίστανται "υπερρευστά" ικανά να διαρρεύσουν μέσα από τοίχους αρκετά στερεά ώστε να συγκρατούν οποιοδήποτε άλλο είδος υγρού. μάλιστα μοιάζουν να αψηφούν τη βαρύτητα καθώς σέρνονται, πάνω και έξω από τα δοχεία τους.
Οι φυσικοί αναγνωρίζουν ότι δεν μπορούν ποτέ να φθάσουν στη ψυχρότερη δυνατή θερμοκρασία, γνωστή ως απόλυτο μηδέν και πολύ καιρό υπολογιζόμενη να είναι μείον 459, 67 ° F. Για τους φυσικούς, η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο για το πόσο γρήγορα κινούνται τα άτομα, μια αντανάκλαση της ενέργειας τους και το μηδέν είναι το σημείο στο οποίο δεν υπάρχει απολύτως καμιά θερμική ενέργεια για να εξάγεται από μια ουσία.
Αλλά μερικοί φυσικοί σκοπεύουν να φτάσουν όσο πιο κοντά στο θεωρητικό αυτό όριο και ήταν να αποκτήσουν μια καλύτερη εικόνα για εκείνους τους πιο σπάνιους διαγωνισμούς που επισκέφτηκα το εργαστήριο του Wolfgang Ketterle στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Cambridge. Αυτή τη στιγμή κατέχει το ρεκόρ - τουλάχιστον σύμφωνα με το Guinness World Records 2008 - για τη χαμηλότερη θερμοκρασία: 810 τρισεκατομμύρια βαθμού F πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ο Ketterle και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν το κατόρθωμα αυτό το 2003, ενώ εργάζονταν με ένα σύννεφο - περίπου μια χιλιοστό της ίντσας, πάνω από μόρια νατρίου παγιδευμένα στη θέση τους από τους μαγνήτες.
Ζητώ από την Ketterle να μου δείξει το σημείο στο οποίο έβαλαν το ρεκόρ. Βάζουμε γυαλιά για να προστατεύσουμε τον εαυτό μας από το να τυφλωθεί από το υπέρυθρο φως από τις ακτίνες λέιζερ που χρησιμοποιούνται για να επιβραδύνουν και έτσι να ψύχονται τα μετακινούμενα ατομικά σωματίδια. Περνάμε την αίθουσα από το ηλιόλουστο γραφείο της σε ένα σκοτεινό δωμάτιο με ένα διασυνδεδεμένο συρματόσχοινο, μικρούς καθρέφτες, σωλήνες κενού, πηγές λέιζερ και εξοπλισμό πληροφορικής υψηλής ισχύος. "Ακριβώς εδώ", λέει, η φωνή του αυξάνεται με ενθουσιασμό καθώς δείχνει σε ένα μαύρο κουτί που φέρει ένα αλουμινόχαρτο τυλιγμένο σωλήνα που οδηγεί σε αυτό. "Αυτό είναι όπου κάναμε την πιο ψυχρή θερμοκρασία."
Το επίτευγμα του Ketterle βγήκε από την επιδίωξη μιας εντελώς νέας μορφής ύλης που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC). Τα συμπυκνώματα δεν είναι τυποποιημένα αέρια, υγρά ή ακόμη στερεά. Δημιουργούνται όταν ένα σύννεφο ατόμων - μερικές φορές εκατομμύρια ή περισσότερα - όλα μπαίνουν στην ίδια κβαντική κατάσταση και συμπεριφέρονται σαν ένα. Ο Albert Einstein και ο Ινδός φυσικός Satyendra Bose προέβλεπαν το 1925 ότι οι επιστήμονες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν τέτοια ύλη υποβάλλοντας άτομα σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν το απόλυτο μηδέν. Εβδομήντα χρόνια αργότερα, ο Ketterle, που εργάζεται στο MIT και σχεδόν ταυτόχρονα ο Carl Wieman που εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder, και ο Eric Cornell από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder δημιούργησαν τα πρώτα συμπυκνώματα Bose-Einstein. Οι τρεις βραβεύτηκαν αμέσως με βραβείο Νόμπελ. Η ομάδα του Ketterle χρησιμοποιεί BEC για να μελετήσει τις βασικές ιδιότητες της ύλης, όπως η συμπιεστότητα, και να κατανοήσει καλύτερα τα περίεργα φαινόμενα χαμηλής θερμοκρασίας, όπως η υπερρευστότητα. Τελικά, όπως πολλοί φυσικοί, ο Ketterle ελπίζει να ανακαλύψει νέες μορφές ύλης που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως υπεραγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου, γεγονός που θα έφερνε επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι χρησιμοποιούν ενέργεια. Για τους περισσότερους νικητές του βραβείου Νόμπελ, η τιμή καλύπτει μια μακρά σταδιοδρομία. Αλλά για τον Ketterle, ο οποίος ήταν 44 ετών όταν του απονεμήθηκε, η δημιουργία των BEC άνοιξε ένα νέο πεδίο που θα διερευνήσει μαζί του και οι συνάδελφοί του εδώ και δεκαετίες.
Ένας άλλος υποψήφιος για το πιο κρύο σημείο είναι σε ολόκληρο το Cambridge, στο εργαστήριο της Lene Vestergaard Hau στο Χάρβαρντ. Το προσωπικό της καλύτερο είναι μερικά εκατομμύρια του βαθμού F πάνω από το απόλυτο μηδέν, κοντά στην Ketterle's, την οποία επίσης έφτασε δημιουργώντας BECs. «Κάνουμε BECs κάθε μέρα τώρα», λέει καθώς κατεβαίνουμε σε ένα κλιμακοστάσιο σε ένα εργαστήριο γεμάτο εξοπλισμό. Μία πλατφόρμα μεγέθους μπιλιάρδου στο τραπέζι στο κέντρο του δωματίου μοιάζει με ένα λαβύρινθο κατασκευασμένο από μικροσκοπικούς οβάλ καθρέπτες και μολύβι-μολύβδινο-λεπτό δοκάρια λέιζερ. Χρησιμοποιώντας τις BECs, η Hau και οι συνεργάτες της έκαναν κάτι που μπορεί να φανεί αδύνατο: έχουν επιβραδύνει το φως σε ένα εικονικό σταμάτημα.
Η ταχύτητα του φωτός, όπως όλοι ακούσαμε, είναι σταθερή: 186, 171 μίλια ανά δευτερόλεπτο σε κενό. Αλλά είναι διαφορετικό στον πραγματικό κόσμο, έξω από ένα κενό. για παράδειγμα, το φως όχι μόνο κάμπτεται αλλά επίσης επιβραδύνεται τόσο ελαφρώς όταν περνά μέσα από γυαλί ή νερό. Ακόμα, αυτό δεν είναι τίποτα σε σχέση με αυτό που συμβαίνει όταν ο Hau λάμπει μια ακτίνα λέιζερ φωτός σε ένα BEC: είναι σαν να εκτοξεύεις ένα μπέιζμπολ σε ένα μαξιλάρι. "Πρώτον, πήραμε την ταχύτητα σε σχέση με εκείνη ενός ποδηλάτου", λέει ο Hau. "Τώρα είναι σε ένα crawl, και μπορούμε πραγματικά να το σταματήσουμε - κρατήστε το φως εμφιαλωμένο εντελώς μέσα στο BEC, κοιτάξτε το, παίξτε με αυτό και στη συνέχεια αφήστε το όταν είμαστε έτοιμοι".
Είναι σε θέση να χειριστεί το φως έτσι, επειδή η πυκνότητα και η θερμοκρασία του BEC επιβραδύνουν τους παλμούς φωτός. (Πήρε πρόσφατα τα πειράματα ένα βήμα παραπέρα, σταματώντας ένα παλμό σε ένα BEC, μετατρέποντάς το σε ηλεκτρική ενέργεια, μεταφέροντας το σε άλλο BEC, στη συνέχεια απελευθερώνοντας το και στέλνοντάς το πάλι στο δρόμο του.) Hau χρησιμοποιεί BECs για να ανακαλύψει περισσότερα για τη φύση του φωτός και πώς να χρησιμοποιήσετε το "αργό φως" - δηλαδή το φως που παγιδεύεται στα BECs - για να βελτιώσετε την ταχύτητα επεξεργασίας των υπολογιστών και να δώσετε νέους τρόπους αποθήκευσης πληροφοριών.
Δεν εκτελούνται όλες οι έρευνες με υπερήχους χρησιμοποιώντας BECs. Στη Φινλανδία, για παράδειγμα, ο φυσικός Juha Tuoriniemi χειρίζεται μαγνητικά τους πυρήνες των ατόμων ροδίου για να φτάσει θερμοκρασίες 180 τρισεκατομμυρίων ενός βαθμού F πάνω από το απόλυτο μηδέν. (Το ρεκόρ Guinness, πολλοί ειδικοί πιστώνουν το Tuoriniemi με ακόμα χαμηλότερες θερμοκρασίες από το Ketterle, αλλά αυτό εξαρτάται από το εάν μετράτε μια ομάδα ατόμων, όπως ένα BEC, ή μόνο τμήματα ατόμων, όπως οι πυρήνες).
Μπορεί να φαίνεται ότι το απόλυτο μηδέν αξίζει να προσπαθήσει να επιτύχει, αλλά η Ketterle λέει ότι ξέρει καλύτερα. «Δεν προσπαθούμε», λέει. "Όπου είμαστε είναι αρκετά κρύο για τα πειράματά μας." Απλά δεν αξίζει το πρόβλημα - για να μην αναφέρουμε, σύμφωνα με την αντίληψη των φυσικών για τη θερμότητα και τους νόμους της θερμοδυναμικής, αδύνατο. "Για να απορροφήσει όλη την ενέργεια, κάθε τελευταίο κομμάτι της, και να επιτύχει μηδενική ενέργεια και απόλυτο μηδέν - που θα χρειαζόταν να πετύχει η εποχή του σύμπαντος."
Ο Tom Shachtman είναι ο συγγραφέας του Absolute Zero και η κατάκτηση του κρύου, η βάση για ένα μελλοντικό ντοκιμαντέρ PBS "Nova".
