Къде е най-студеното място във Вселената? Не на Луната, където температурата се спуска до минус 378 по Фаренхайт. Дори и в най-дълбокото космическо пространство, чиято фонова температура е около минус 455 ° F. Доколкото учените могат да разберат, най-ниските достигнати температури са били наблюдавани наскоро точно тук, на земята.
Свързано съдържание
- Проследяване на Bighorns
- Абсолютна нула
Рекордно най-ниските нива бяха сред последните подвизи на ултра студената физика, лабораторното изследване на материята при температури, толкова умопомрачително фригидни, че атомите и дори самата светлина се държат по крайно необичайни начини. Електрическото съпротивление в някои елементи изчезва под около минус 440 ° F, явление, наречено свръхпроводимост. При още по-ниски температури някои втечнени газове стават „свръхтечности“, способни да изтичат през стените, достатъчно твърди, за да задържат всякакъв друг вид течност; те дори изглежда да се противопоставят на гравитацията, когато пълзят нагоре, над и извън контейнерите си.
Физиците признават, че никога не могат да достигнат най-студената възможна температура, известна като абсолютна нула и отдавна изчислена на минус 459.67 ° F. За физиците температурата е мярка за това колко бързо се движат атомите, отражение на тяхната енергия - и абсолютната нула е точката, в която няма абсолютно никаква топлинна енергия, която да бъде извлечена от веществото.
Но няколко физици възнамеряват да се доближат максимално до тази теоретична граница и трябваше да получат по-добър поглед върху онова най-рядко срещано състезание, което посетих в лабораторията на Волфганг Кетърле в Масачузетския технологичен институт в Кеймбридж. В момента тя държи рекорда - поне според световните рекорди на Гинес 2008 - за най-ниската температура: 810 трилиона на градус F над абсолютната нула. Кетърле и неговите колеги осъществиха този подвиг през 2003 г., докато работеха с облак - около хилядна част от инч - натриеви молекули, хванати в място от магнити.
Моля Кетърле да ми покаже мястото, където са поставили записа. Обличаме очила, за да се предпазим от заслепяване от инфрачервена светлина от лазерните лъчи, които се използват за забавяне и по този начин охлаждане на бързо движещи се атомни частици. Преминаваме залата от слънчевия му кабинет в тъмна стая с взаимосвързана струпа от проводници, малки огледала, вакуумни тръби, лазерни източници и компютърна техника с висока мощност. „Точно тук“, казва той, гласът му се надига от вълнение, докато посочва черна кутия, в която има тръба, обвита с алуминиево фолио. "Тук направихме най-студената температура."
Постижението на Кетърле се дължи на стремежа му към изцяло нова форма на материята, наречена кондензат Бозе-Айнщайн (BEC). Кондензатите не са стандартни газове, течности или дори твърди вещества. Те се образуват, когато облак от атоми - понякога милиони или повече - всички влизат в едно и също квантово състояние и се държат като едно. Алберт Айнщайн и индийският физик Сатиендра Бозе прогнозираха през 1925 г., че учените могат да генерират такава материя, подлагайки атомите на температури, приближаващи се до абсолютна нула. Седемдесет години по-късно Кетърле, работещ в MIT, и почти едновременно Карл Вийман, работещ в Университета на Колорадо в Боулдър, и Ерик Корнел от Националния институт за стандарти и технологии в Боулдър създават първите кондензати на Бозе-Айнщайн. Тримата спечелиха Нобелова награда. Екипът на Ketterle използва BEC за изучаване на основни свойства на материята, като сгъваемост и за по-добро разбиране на странни нискотемпературни явления като свръхтечност. В крайна сметка Кеттерле, като много физици, се надява да открие нови форми на материя, които биха могли да действат като свръхпроводници при стайна температура, които биха променили начина, по който хората използват енергия. За повечето носители на Нобелова награда честта ограничава дългата кариера. Но за Кетърле, който беше на 44 години, когато получи наградата си, създаването на BEC отвори ново поле, което той и колегите му ще изследват от десетилетия.
Друг претендент за най-студеното място е в Кеймбридж, в лабораторията на Лене Вестергаард Хау в Харвард. Личното й най-добро е няколко милиона градуса F над абсолютна нула, близо до това на Кетърле, което тя също достигна, докато създаваше BEC. „Вече правим BEC всеки ден“, казва тя, докато слизаме по стълбище към лаборатория, пълна с оборудване. Платформа с маса за билярд в центъра на стаята изглежда като лабиринт, изграден от малки овални огледала и лазерни лъчи, оловно-оловни. Използвайки ОИК, Хау и нейните колеги направиха нещо, което може да изглежда невъзможно: те забавиха светлината до виртуален застой.
Скоростта на светлината, както всички чухме, е постоянна: 186, 171 мили в секунда във вакуум. Но в реалния свят е различно, извън вакуум; например светлината не само се огъва, но и се забавя толкова леко, когато преминава през стъкло или вода. Все пак това не е нищо в сравнение с това, което се случва, когато Хау свети лазерен лъч светлина в BEC: това е като да хвърлиш бейзбол в възглавница. „Първо, ние намалихме скоростта до тази на велосипед“, казва Хау. „Сега той е в обхождане и всъщност можем да го спрем - дръжте светлината изцяло в BEC, погледнете я, играйте с нея и след това я пуснете, когато сме готови.“
Тя е в състояние да манипулира светлината по този начин, защото плътността и температурата на BEC забавят импулсите на светлината. (Наскоро тя направи експериментите крачка напред, спира импулс в една BEC, преобразува я в електрическа енергия, прехвърля я в друга BEC, след това я пуска и изпраща отново на път.) Hau използва BEC, за да открие повече за природата светлина и как да използвате "бавна светлина" - това е светлина, хваната в BEC - за да подобрите скоростта на обработка на компютрите и да осигурите нови начини за съхраняване на информация.
Не всички ултра студени изследвания се извършват с помощта на BECs. Например във Финландия физикът Juha Tuoriniemi магнетично манипулира сърцевината на родиевите атоми, за да достигне температури от 180 трилиона на градус F над абсолютната нула. (Независимо от рекорда на Гинес, много експерти приписват на Туориниеми постигането на дори по-ниски температури от Кеттерле, но това зависи дали измервате група атоми, например BEC, или само части от атоми, като ядра.)
Може да изглежда, че абсолютната нула си струва да се опитаме да я постигнем, но Кетърле казва, че знае по-добре. "Не се опитваме", казва той. "Там, където сме, е достатъчно студено за нашите експерименти." Просто не си струва труда - да не говорим, според разбирането на физиците от топлината и законите на термодинамиката, невъзможно. "Да изсмучеш цялата енергия, всяка последна част от нея и да постигнеш нулева енергия и абсолютна нула - това ще отнеме епохата на Вселената."
Том Шахтман е автор на „ Абсолютна нула и завладяването на студа“, основа за бъдещ документален филм на PBS „Нова“.
