Unde este locul cel mai rece din univers? Nu pe lună, unde temperatura scade la doar minus 378 Fahrenheit. Nici măcar în spațiul exterior cel mai adânc, care are o temperatură de fundal estimată de aproximativ minus 455 ° F. Din câte știu oamenii de știință, cele mai scăzute temperaturi atinse vreodată au fost observate recent chiar pe pământ.
Continut Asemanator
- Urmărirea Bighorns
- Zero absolut
Nivelurile record-record s-au numărat printre cele mai recente faze ale fizicii ultracold, studiul de laborator al materiei la temperaturi atât de friguroase, încât atomi și chiar lumina se comportă în moduri extrem de neobișnuite. Rezistența electrică în unele elemente dispare sub aproximativ minus 440 ° F, fenomen numit superconductivitate. La temperaturi chiar mai scăzute, unele gaze lichefiate devin „superfluide” capabile să se scurgă prin pereți suficient de solizi pentru a reține orice alt fel de lichid; par chiar să sfideze gravitația în timp ce se strecoară, dincolo și din containerele lor.
Fizicienii recunosc că nu pot atinge niciodată cea mai rece temperatură concepută, cunoscută drept zero absolută și calculată cu mult timp în urmă cu minus 459.67 ° F. Pentru fizicieni, temperatura este o măsură a mișcării rapide a atomilor, o reflectare a energiei lor, iar zero absolut este punctul în care nu mai rămâne absolut nicio energie termică pentru a fi extrasă dintr-o substanță.
Dar câțiva fizicieni au intenția să se apropie cât mai mult de această limită teoretică și a fost o idee mai bună despre cele mai rarefiate competiții pe care le-am vizitat la laboratorul lui Wolfgang Ketterle de la Massachusetts Institute of Technology din Cambridge. În prezent, deține recordul - cel puțin conform Guinness World Records 2008 - pentru temperatura cea mai scăzută: 810 trilioane de grad F peste zero absolut. Ketterle și colegii săi au reușit această știre în 2003, în timp ce lucrau cu un nor - aproximativ o mie de centimetri de-a lungul - moleculelor de sodiu prinse la locul lor de magneți.
Îl rog pe Ketterle să-mi arate locul în care au stabilit recordul. Ne-am pus ochelari pentru a ne proteja de faptul că suntem orbiți de lumina infraroșie de fasciculele laser care sunt utilizate pentru a încetini și a răci astfel particule atomice cu mișcare rapidă. Traversăm holul de la biroul său însorit într-o cameră întunecată, cu un salt interconectat de fire, oglinzi mici, tuburi de vid, surse laser și echipamente computerizate de mare putere. „Chiar aici”, spune el, vocea ridicându-se cu emoție în timp ce indică o cutie neagră care are un tub învelit cu folie de aluminiu care duce în ea. „Aici am făcut temperatura cea mai rece”.
Realizarea lui Ketterle a ieșit din urmărirea unei forme complet noi de materie numită condensat Bose-Einstein (BEC). Condensatele nu sunt gaze standard, lichide sau chiar solide. Se formează atunci când un nor de atomi - uneori milioane sau mai mulți - intră toți în aceeași stare cuantică și se comportă ca unul. Albert Einstein și fizicianul indian Satyendra Bose au prezis în 1925 că oamenii de știință ar putea genera o astfel de materie supunând atomii la temperaturi care se apropie de zero absolut. Șaptezeci de ani mai târziu, Ketterle, care lucra la MIT și aproape simultan, Carl Wieman, care lucra la Universitatea din Colorado la Boulder, și Eric Cornell de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din Boulder au creat primele condensate Bose-Einstein. Cei trei au câștigat prompt un premiu Nobel. Echipa lui Ketterle folosește BEC-uri pentru a studia proprietățile de bază ale materiei, cum ar fi compresibilitatea, și pentru a înțelege mai bine fenomenele ciudate de temperatură scăzută, cum ar fi superfluiditatea. În cele din urmă, Ketterle, ca mulți fizicieni, speră să descopere noi forme de materie care ar putea acționa ca supraconductori la temperatura camerei, ceea ce ar revoluționa modul în care oamenii folosesc energia. Pentru majoritatea câștigătorilor premiului Nobel, onoarea este o lungă carieră. Însă pentru Ketterle, care avea 44 de ani când i-a fost premiat, crearea de BEC a deschis un nou domeniu pe care el și colegii săi îl vor explora zeci de ani.
Un alt concurent pentru cel mai rece loc este peste Cambridge, în laboratorul Lene Vestergaard Hau de la Harvard. Cel mai bun personal al său este de câteva milioane de grade F peste zero absolut, aproape de cel al lui Ketterle, pe care și ea l-a atins în timpul creării BEC-urilor. „Facem BEC-uri în fiecare zi acum”, spune ea în timp ce coborâm pe scări la un laborator plin de echipamente. O platformă cu dimensiunea mesei de biliard din centrul camerei arată ca un labirint construit din oglinzi minuscule ovale și raze laser subțire cu plumb. Utilizând BEC-uri, Hau și colegii săi au făcut ceva care ar putea părea imposibil: au încetinit lumina până la un blocaj virtual.
Viteza luminii, așa cum am auzit cu toții, este o constantă: 186.171 mile pe secundă în vid. Dar este diferit în lumea reală, în afara unui vid; de exemplu, lumina nu numai că se îndoaie, dar încetinește atât de ușor când trece prin sticlă sau apă. Totuși, asta nu este nimic în comparație cu ceea ce se întâmplă când Hau aprinde un fascicul de lumină laser într-un BEC: este ca și cum ai arunca un baseball într-o pernă. „În primul rând, am redus viteza la cea a unei biciclete”, spune Hau. „Acum este în curs de târâre și putem de fapt să-l oprim - păstrați lumina îmbuteliată complet în interiorul BEC, priviți-o, jucați-vă cu ea și apoi eliberați-o când suntem gata.
Ea este capabilă să manipuleze lumina în acest fel, deoarece densitatea și temperatura BEC încetinesc impulsurile de lumină în jos. (De curând, a făcut experimentele cu un pas mai departe, oprind un impuls într-un BEC, transformând-o în energie electrică, transferând-o în alt BEC, apoi eliberându-l și trimitându-l din nou în drum.) Hau folosește BEC-uri pentru a descoperi mai multe despre natură. a luminii și a modului de utilizare a „luminii lente” - adică a luminii prinse în BEC-uri - pentru a îmbunătăți viteza de procesare a computerelor și a oferi noi modalități de stocare a informațiilor.
Nu toate cercetările ultracold se efectuează utilizând BEC. În Finlanda, de exemplu, fizicianul Juha Tuoriniemi manipulează magnetic nucleele atomilor de rodiu pentru a atinge temperaturi de 180 de trilioane de grade F peste zero absolut. (În ciuda recordului Guinness, mulți experți îl creditează pe Tuoriniemi că obțin temperaturi chiar mai scăzute decât Ketterle, dar asta depinde de măsurarea unui grup de atomi, cum ar fi un BEC, sau numai a unor părți de atomi, cum ar fi nucleele.)
S-ar putea părea că zero absolut merită încercat să obțină, dar Ketterle spune că știe mai bine. „Nu încercăm”, spune el. „Unde suntem este destul de rece pentru experimentele noastre”. Pur și simplu nu merită problema - ca să nu mai vorbim, conform înțelegerii fizicienilor despre căldură și legile termodinamicii, imposibil. "Pentru a aspira toată energia, fiecare ultimă parte din ea și pentru a obține energie zero și zero absolut - asta ar fi nevoie de vârsta universului pentru a realiza".
Tom Shachtman este autorul Absolute Zero and the Conquest of Cold, baza unui viitor documentar PBS „Nova”.
