Gdje je najhladnije mjesto u svemiru? Ne na Mjesecu, gdje temperatura pada na samo minus 378 Fahrenheita. Ni u najdubljem svemirskom prostoru, gdje je procijenjena pozadinska temperatura oko minus 455 ° F. Koliko znanstvenici mogu reći, najniže postignute temperature nedavno su primijećene baš ovdje na zemlji.
Povezani sadržaj
- Praćenje Bighorna
- Apsolutna nula
Rekordni minimumi bili su među najnovijim podvizima ultrahladne fizike, laboratorijskim proučavanjem materije na temperaturama tako neverovatno hladnim da se atomi, pa čak i sama svjetlost, ponašaju na krajnje neobičan način. Električni otpor u nekim elementima nestaje ispod minus 440 ° F, fenomen koji se naziva superprovodljivost. Pri još nižim temperaturama, neki ukapljeni plinovi postaju "super tekućine" sposobne prodirati kroz zidove dovoljno čvrste da drže bilo koju drugu vrstu tekućine; čini se da prkose gravitaciji dok puze gore, preko i izvan svojih spremnika.
Fizičari priznaju da nikad ne mogu dostići najhladniju moguću temperaturu, poznatu kao apsolutnu nulu i davno je izračunata na minus 459, 67 ° F. Za fizičare temperatura je mjera brzine kretanja atoma, odraz njihove energije - a apsolutna nula je točka u kojoj nema apsolutno nikakve toplinske energije koja se može izvući iz neke tvari.
Ali nekolicina fizičara namjerava se približiti toj teorijskoj granici, a to je bio bolji pogled na ono najrjeđe natjecanje koje sam posjetio u laboratoriju Wolfganga Ketterlea na Massachusetts Institute of Technology u Cambridgeu. Trenutno drži rekord - barem prema Guinnessovim svjetskim rekordima 2008 - po najnižoj temperaturi: 810 trilijuna stupnja F iznad apsolutne nule. Ketterle i njegovi kolege ostvarili su taj nastup 2003. godine radeći s oblakom - oko tisuću inča preko molekula natrija, zarobljenim magnetima.
Molim Ketterle da mi pokaže mjesto na kojem su postavili rekord. Naočili smo naočare kako bismo se zaštitili od zasljepljivanja infracrvenim svjetlom od laserskih zraka koji se koriste za usporavanje i time hlađenje brzorastućih atomskih čestica. Prelazimo dvoranu iz njegovog sunčanog ureda u tamnu prostoriju s međusobno povezanim žicama, malim ogledalima, vakuumskim cijevima, laserskim izvorima i snažnom računalnom opremom. "Upravo ovdje", kaže, glas mu uzdiše od uzbuđenja dok pokazuje na crnu kutiju u koju se unosi cijev od aluminija u foliju. "Ovdje smo napravili najhladniju temperaturu."
Ketterleovo postignuće proisteklo je iz potrage za posve novim oblikom materije zvanim Bose-Einsteinov kondenzat (BEC). Kondenzati nisu uobičajeni plinovi, tekućine ili čak krute tvari. Oni nastaju kada oblak atoma - ponekad i milijuni ili više - svi uđu u isto kvantno stanje i ponašaju se kao jedno. Albert Einstein i indijski fizičar Satyendra Bose predvidjeli su 1925. godine da bi znanstvenici mogli generirati takvu materiju podvrgavanjem atoma temperaturama koje se približavaju apsolutnoj nuli. Sedamdeset godina kasnije, Ketterle, koji je radio na MIT-u, i gotovo istodobno, Carl Wieman, koji je radio na Sveučilištu u Coloradu u Boulderu, i Eric Cornell iz Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju u Boulderu stvorili su prve Bose-Einsteinove kondenzate. Njih troje odmah su osvojili Nobelovu nagradu. Ketterleov tim koristi BEC-ove za proučavanje osnovnih svojstava materije, poput stlačivosti, i bolje razumijevanje čudnih fenomena niske temperature poput suvišne tekućine. Konačno, Ketterle se, poput mnogih fizičara, nada da će otkriti nove oblike materije koji bi mogli djelovati kao superprovodnici na sobnoj temperaturi, a koji bi revolucionirali način na koji ljudi koriste energiju. Za većinu dobitnika Nobelove nagrade čast krasi dugu karijeru. Ali za Ketterle, koja je imala 44 godine kad je nagrađena, stvaranje BEC-a otvorilo je novo polje koje će on i njegove kolege istraživati desetljećima.
Drugi kandidat za najhladniju točku je preko Cambridgea, u laboratoriju Lene Vestergaard Hau na Harvardu. Njezin osobni najbolje je nekoliko milijuna stupnjeva F iznad apsolutne nule, blizu Ketterleovih, što je i ona postigla stvarajući BEC. "Sada radimo BEC-ove svakodnevno", kaže ona dok se spuštamo stubištem u laboratorij prepun opreme. Platforma veličine biljarskog stola u središtu prostorije izgleda poput labirinta sastavljenog od sićušnih ovalnih ogledala i laserskih snopova tankih olova. Hau i njezini suradnici učinili su nešto što bi se moglo činiti nemogućim: usporili su svjetlo do virtualnog zastoja.
Brzina svjetlosti, kao što smo svi čuli, konstantna je: 186, 171 milje u sekundi u vakuumu. Ali u stvarnom je svijetu drugačije, van vakuuma; na primjer, svjetlost se ne samo savija, već i usporava, pomalo kad prolazi kroz staklo ili vodu. Ipak, to je ništa u usporedbi s onim što se događa kad Hau laserskim snopom svjetla ubaci BEC: to je poput bacanja bejzbola u jastuk. "Prvo smo smanjili brzinu na onoj na biciklu", kaže Hau. "Sada je u puzanju i zapravo ga možemo zaustaviti - držite svjetlo u boci u potpunosti u BEC-u, pogledajte ga, igrajte se s njim i pustite ga kad budemo spremni."
Ona može na ovaj način manipulirati svjetlošću jer gustoća i temperatura BEC usporavaju impulse svjetlosti. (Nedavno je pokušala korak dalje, zaustavljajući impuls u jednom BEC-u, pretvarajući ga u električnu energiju, prenoseći ga u drugi BEC, zatim ga otpuštajući i ponovo šalje na put.) Hau koristi BEC-ove da otkriju više o prirodi svjetlosti i kako koristiti „sporo svjetlo“ - to je svjetlo zarobljeno u BEC-ima - za poboljšanje brzine obrade računala i pružanje novih načina pohrane podataka.
Nisu sva ultrahladna istraživanja provedena pomoću BEC-ova. Na primjer, u Finskoj, fizičar Juha Tuoriniemi magnetski manipulira jezgrama rodijevih atoma kako bi postigao temperature od 180 trilijuna stupnja F iznad apsolutne nule. (Bez obzira na Guinnessov rekord, mnogi stručnjaci pripisuju Tuoriniemiju postizanje nižih temperatura od Ketterlea, ali to ovisi o tome da li mjerite grupu atoma, kao što je BEC, ili samo dijelove atoma, kao što su jezgre.)
Možda se čini da je apsolutna nula vrijedna pokušaja dostizanja, ali Ketterle kaže da zna bolje. "Ne pokušavamo", kaže. "Tamo gdje smo hladni dovoljno je za naše eksperimente." Jednostavno ne vrijedi nevolje - a da i ne spominjemo, prema shvaćanju fizičara topline i zakona termodinamike, nemoguće. "Izvući svu energiju, svaki njezin posljednji zalogaj i postići nultu energiju i apsolutnu nulu - za to bi bilo potrebno doba svemira."
Tom Shachtman autor je Apsolutne nule i Osvajanja hladnoće, osnova za budući dokumentarac PBS "Nova".
