Kus on universumi kõige külmem koht? Mitte Kuul, kus temperatuur langeb vaid miinus 378 Fahrenheiti. Isegi mitte kõige sügavamas kosmoses, mille eeldatav taustatemperatuur on umbes miinus 455 ° F. Teadlaste väitel täheldati hiljuti siinsamas maa peal madalaimat temperatuuri, mis eales saavutatud.
Seotud sisu
- Jäsemete jälgimine
- Absoluutne null
Rekordilised madalseisud olid ülimõõtmelise füüsika viimased tunnusjooned - aine laboratoorne uurimine temperatuuridel, mis oli nii meeleliselt külm, et aatomid ja isegi valgus ise käituvad väga ebaharilikul viisil. Mõne elemendi elektritakistus kaob alla miinus 440 ° F, seda nähtust nimetatakse ülijuhtivuseks. Veelgi madalamatel temperatuuridel muutuvad mõned veeldatud gaasid "ülivedelikeks", mis suudavad eralduda seinte kaudu piisavalt kindlalt, et hoida ära muud tüüpi vedelikke; nad paistavad isegi trotsides gravitatsiooni, kui nad oma konteineritest üles ja alla libisevad.
Füüsikud tunnistavad, et nad ei pääse kunagi kõige külmemasse võimalikku temperatuuri, mida nimetatakse absoluutseks nulliks ja mille väärtus on juba miinus 459, 67 ° F. Füüsikute jaoks on temperatuur aatomite liikumise kiire mõõt, nende energia peegeldus ja absoluutne null on punkt, kus ainest eraldatavat soojusenergiat ei ole.
Kuid mõned füüsikud soovivad jõuda sellele teoreetilisele piirile võimalikult lähedale ja selleks, et saada paremat ülevaadet kõige haruldasemast võistlusest, külastasin Wolfgang Ketterle laborit Massachusettsi tehnoloogiainstituudis Cambridge'is. Praegu on selle madalaima temperatuuri rekord - vähemalt Guinnessi maailmarekordi 2008 kohaselt - 810 triljonit kraadi F üle absoluutse nulli. Ketterle ja ta kolleegid said selle saavutuse 2003. aastal pilvega töötades - umbes tuhandik tolli - naatriumimolekulide abil, mis olid magnetite abil kinni.
Palun Ketterle'il näidata mulle seda kohta, kus nad olid rekordi püstitanud. Panime kaitseprillid, et kaitsta end pimestatud infrapunakiirguse eest laserkiirtest, mida kasutatakse aeglaselt liikuvate aatomiosakeste aeglustamiseks ja jahutamiseks. Me ületame saali tema päikselisest kabinetist pimedasse ruumi, kus on omavahel ühendatud juhtmete jama, väikesed peeglid, vaakumtorud, laserallikad ja suure võimsusega arvutiseadmed. "Siinsamas, " ütleb ta, tema hääl tõuseb põnevusega, kui ta osutab mustale kastile, mille sisse viib alumiiniumfooliumiga mähitud toru. "Sellel temperatuuril oli meil kõige külmem."
Ketterle saavutus tuli tema püüdlusest täiesti uue ainevormi poole, mida nimetatakse Bose-Einsteini kondensaadiks (BEC). Kondensaadid ei ole standardsed gaasid, vedelikud ega isegi tahked ained. Need moodustuvad, kui aatomite pilv - mõnikord miljonid või enam - sisenevad kõik samasse kvant olekusse ja käituvad üksteisena. Albert Einstein ja India füüsik Satyendra Bose ennustasid 1925. aastal, et teadlased võivad sellist ainet genereerida, allutades aatomitele temperatuurid, mis lähenevad absoluutsele nullile. Seitsekümmend aastat hiljem lõid MIT-is töötavad Ketterle ja peaaegu samaaegselt Boulderi Colorado ülikoolis töötav Carl Wieman ja Boulderi Riikliku Standardite ja Tehnoloogia Instituudi Eric Cornell esimesed Bose-Einsteini kondensaadid. Need kolm võitsid kohe Nobeli preemia. Ketterle'i meeskond kasutab BEC-sid aine põhiliste omaduste, näiteks kokkusurutavuse, uurimiseks ja imelike madala temperatuuriga nähtuste, näiteks üliliikuvuse paremaks mõistmiseks. Lõppkokkuvõttes loodab Ketterle, nagu paljud füüsikud, avastada uusi ainevorme, mis võiksid toatemperatuuril toimida ülijuhtidena, mis muudaksid revolutsiooni inimeste energiakasutuse jaoks. Enamiku Nobeli preemia laureaatide jaoks on au pikk karjäär. Kuid Ketterle jaoks, kes oli tema autasustamine 44-aastane, avas BEC-ide loomine uue välja, mida ta koos kolleegidega uurib aastakümneid.
Veel üks kandidaat kõige külmema koha jaoks on Cambridge'is Lene Vestergaard Hau laboris Harvardis. Tema isiklik parim väärtus on mõni miljonendik kraadi F-st absoluutsest nullist lähemal Ketterle'ile, milleni ta jõudis ka BEC-ide loomisel. "Me teeme BEC-sid nüüd iga päev, " ütleb naine, kui läheme trepikojast alla varustuse täis laborisse. Toa keskel olev piljardilaua suurune platvorm näeb välja nagu labürint, mis on ehitatud pisikestest ovaalsetest peeglitest ja pliiats-plii-õhukestest laserkiirtest. Kasutades BEC-sid, on Hau ja tema kaastöötajad teinud midagi, mis võib tunduda võimatu: nad on aeglustanud virtuaalse paigalseisu.
Valguskiirus, nagu me kõik oleme kuulnud, on püsiv: vaakumis 186 171 miili sekundis. Kuid reaalses maailmas on väljaspool vaakumit teisiti; näiteks valgus mitte ainult ei paindu, vaid aeglustub ka klaasist või veest läbi liikudes. See pole midagi, võrreldes sellega, mis juhtub, kui Hau laseb laserkiire BEC-ks: see on nagu pesapalli padja sisse löömine. "Esiteks saime kiiruse alla jalgratta kiiruseni, " räägib Hau. "Nüüd on see indekseerimise ajal ja me võime selle tegelikult peatada - hoida kogu pudelit BECi sees, vaadata seda, mängida sellega ja vabastada, kui oleme valmis."
Ta on võimeline valgust sel viisil manipuleerima, kuna BEC tihedus ja temperatuur aeglustavad valguse impulsse. (Hiljuti asus ta katsed sammu võrra kaugemale, peatades impulsi ühes BEC-s, muundades selle elektrienergiaks, edastades selle teisele BEC-le, seejärel vabastades selle ja saates selle uuesti oma teele.) Hau kasutab BEC-sid looduse lisateabe saamiseks valgust ja kuidas kasutada "aeglast valgust" - see tähendab BEC-idesse lõksu jäänud valgust - arvutite töötlemiskiiruse parandamiseks ja teabe salvestamiseks uute viiside pakkumiseks.
Kõiki ülikergeid uuringuid ei tehta BEC-de abil. Näiteks Soomes manipuleerib füüsik Juha Tuoriniemi roodiumiaatomite tuumade abil magnetiliselt temperatuuri 180 triljonit kraadi F kraadi üle absoluutse nulli. (Hoolimata Guinnessi rekordist, tunnustavad paljud eksperdid Tuoriniemit veelgi madalama temperatuuri saavutamisega kui Ketterle, kuid see sõltub sellest, kas mõõdate aatomite rühma, näiteks BEC, või ainult aatomite osi, näiteks tuumasid.)
Võib tunduda, et absoluutne null on proovimist väärt, kuid Ketterle ütleb, et ta teab paremini. "Me ei ürita, " ütleb ta. "Seal, kus oleme, on eksperimentide jaoks piisavalt külm." See pole lihtsalt vaeva väärt - rääkimata füüsikute arusaamast soojusest ja termodünaamika seadustest, on see võimatu. "Kogu energia, iga viimase osa väljavõtmiseks ja nullinergia ja absoluutse nulli väljavõtmiseks - selle saavutamiseks kulub universumi vanus."
Tom Shachtman on filmi Absolute Zero ja Külma vallutamine autor, mis on tulevase PBS "Nova" dokumentaalfilmi alus.
