Hvor er det koldeste sted i universet? Ikke på månen, hvor temperaturen stuper til kun minus 378 Fahrenheit. Ikke engang i det dybeste ydre rum, som har en estimeret baggrunds- temperatur på ca. minus 455 ° F. Så vidt videnskabsmænd kan fortælle, blev de laveste temperaturer nogensinde opnået for nylig observeret lige her på jorden.
Relateret indhold
- Sporing af Bighorns
- Absolut nul
De rekordstore lavpunkter var blandt de seneste brikker inden for ultrakold fysik, laboratorieundersøgelsen af stof ved temperaturer, så forbløffende frigide, at atomer og endda lys selv opfører sig på meget usædvanlige måder. Elektrisk modstand i nogle elementer forsvinder under ca. minus 440 ° F, et fænomen kaldet superledningsevne. Ved endnu lavere temperaturer bliver nogle flydende gasser "superfluider", der er i stand til at sive gennem vægge, der er faste nok til at holde enhver anden form for væske; de ser ud til at trodse tyngdekraften, når de kryber op, ud og ud af deres containere.
Fysikere erkender, at de aldrig kan nå den koldeste tænkelige temperatur, kendt som absolut nul, og for længe siden beregnet til at være minus 459, 67 ° F. For fysikere er temperatur et mål for, hvor hurtigt atomer bevæger sig, en afspejling af deres energi - og absolut nul er det punkt, hvor der absolut ikke er nogen varmeenergi tilbage, der skal udvindes fra et stof.
Men et par fysikere har til hensigt at komme så tæt på den teoretiske grænse som muligt, og det var for at få et bedre overblik over det mest sjældne antal konkurrencer, som jeg besøgte Wolfgang Ketterles laboratorium ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. Den har i øjeblikket rekorden - i det mindste ifølge Guinness World Records 2008 - for laveste temperatur: 810 billioner af en grad F over absolut nul. Ketterle og hans kolleger opnåede denne bedrift i 2003, mens de arbejdede med en sky - omkring en tusindels tomme over natriummolekyler fanget på plads af magneter.
Jeg beder Ketterle om at vise mig stedet, hvor de havde sat rekorden. Vi tager beskyttelsesbriller på for at beskytte os selv mod at blive blændet af infrarødt lys fra laserstrålene, der bruges til at bremse og derved køle hurtigt bevægelige atompartikler. Vi krydser hallen fra hans solrige kontor ind i et mørkt rum med en sammenkoblet virvar af ledninger, små spejle, vakuumrør, laserkilder og højdrevet computerudstyr. "Lige her, " siger han, og hans stemme stiger af begejstring, når han peger på en sort kasse, der har et aluminiumsfolieindpakket rør, der fører ind i det. "Det er her vi lavede den koldeste temperatur."
Ketterles præstation kom ud af hans forfølgelse af en helt ny form for stof kaldet et Bose-Einstein kondensat (BEC). Kondensaterne er ikke standardgasser, væsker eller endda faste stoffer. De dannes, når en sky af atomer - nogle gange millioner eller mere - alle går ind i den samme kvantetilstand og opfører sig som en. Albert Einstein og den indiske fysiker Satyendra Bose forudsagde i 1925, at forskere kunne generere sådant stof ved at udsætte atomer for temperaturer, der nærmer sig absolut nul. Halvfjerds år senere arbejdede Ketterle ved MIT og næsten samtidig Carl Wieman, der arbejdede på University of Colorado i Boulder, og Eric Cornell fra National Institute of Standards and Technology i Boulder skabte det første Bose-Einstein kondensat. De tre vandt straks en Nobelpris. Ketterles team bruger BEC'er til at undersøge de grundlæggende egenskaber ved materie, såsom komprimerbarhed, og for bedre at forstå underlige lavtemperatur-fænomener såsom overfluiditet. I sidste ende håber Ketterle, som mange fysikere, at opdage nye former for stof, der kan fungere som superledere ved stuetemperatur, hvilket vil revolutionere, hvordan mennesker bruger energi. For de fleste nobelprisvindere er æren en lang karriere. Men for Ketterle, der var 44 år gammel, da han blev tildelt sin, åbnede oprettelsen af BEC'er et nyt felt, som han og hans kolleger vil udforske i årtier.
En anden udfordrer til det koldeste sted er over Cambridge, i Lene Vestergaard Hau's laboratorium i Harvard. Hendes personlige bedste er et par milliondele af en grad F over absolut nul tæt på Ketterles, som hun også nåede, mens hun oprettede BEC'er. ”Vi laver BEC'er hver dag nu, ” siger hun, når vi går ned ad et trappeopgang til et laboratorium spækket med udstyr. En billard-bordstørrelse platform i midten af rummet ligner en labyrint konstrueret af små ovale spejle og blyant-bly-tynde laserstråler. Hau og hendes medarbejdere, der udnytter BEC’erne, har gjort noget, der måske kan synes umuligt: De har bremset lyset til en virtuel stilstand.
Som vi alle har hørt, er lysets hastighed en konstant: 186.171 miles i sekundet i et vakuum. Men det er anderledes i den virkelige verden uden for et vakuum; for eksempel bøjes lys ikke kun, men bremser også nogensinde så lidt, når det passerer gennem glas eller vand. Det er stadig intet sammenlignet med hvad der sker, når Hau skinner en laserstråle til en BEC: det er som at kaste en baseball ind i en pude. ”Først fik vi farten ned til en cykel, ” siger Hau. "Nu er det ved at gennemgå, og vi kan faktisk stoppe det - hold lys på flasker helt inde i BEC, se på det, leg med det og slip det derefter, når vi er klar."
Hun er i stand til at manipulere lys på denne måde, fordi densiteten og temperaturen i BEC bremser lysimpulser. (Hun tog for nylig eksperimenterne et skridt videre, stoppede en puls i en BEC, omdannede den til elektrisk energi, overførte den til en anden BEC, derefter frigiver den og sendte den på vej igen.) Hau bruger BEC'er til at opdage mere om naturen lys og hvordan man bruger "langsomt lys" - det vil sige lys fanget i BEC'er - til at forbedre computerens behandlingshastighed og give nye måder at gemme information på.
Ikke al ultracold-forskning udføres ved hjælp af BEC'er. I Finland manipulerer for eksempel fysiker Juha Tuoriniemi magnetisk kernerne af rodiumatomer for at nå temperaturer på 180 billioner i en grad F over absolut nul. (På trods af Guinness-rekorden krediterer mange eksperter Tuoriniemi med at opnå endnu lavere temperaturer end Ketterle, men det afhænger af, om du måler en gruppe atomer, såsom en BEC, eller kun dele af atomer, såsom kernerne.)
Det ser ud til, at absolut nul er værd at prøve at opnå, men Ketterle siger, at han ved bedre. ”Vi prøver ikke, ” siger han. "Hvor vi er, er koldt nok til vores eksperimenter." Det er simpelthen ikke umagen værd - for ikke at nævne fysikernes forståelse af varme og termodynamikens love er umulig. "At suge ud al energien, hver sidste bit af den og opnå nul energi og absolut nul - det vil tage universets alder at udrette."
Tom Shachtman er forfatteren af Absolute Zero and Conquest of Cold, som er grundlaget for en fremtidig PBS "Nova" -dokumentar.
