Hvor er det kaldeste stedet i universet? Ikke på månen, der temperaturen stuper til bare minus 378 Fahrenheit. Selv ikke i det dypeste ytre rom, som har en beregnet bakgrunnstemperatur på omtrent minus 455 ° F. Så vidt forskere kan fortelle, ble de laveste temperaturene noen gang oppnådd nylig observert her på jorden.
Relatert innhold
- Sporing av Bighorns
- Absolutt null
De rekordstore lavene var blant de nyeste brosjyrene innen ultrakald fysikk, laboratorieundersøkelsen av materie ved temperaturer så overveldende frigide at atomer og til og med lys selv oppfører seg på svært uvanlige måter. Elektrisk motstand i noen elementer forsvinner under minus 440 ° F, et fenomen som kalles superledningsevne. Ved enda lavere temperaturer blir noen flytende gasser "superfluider" som er i stand til å sive gjennom vegger som er faste nok til å holde noen annen form for væske; de ser til og med ut til å trosse tyngdekraften når de kryper opp, over og ut av containerne.
Fysikere erkjenner at de aldri kan nå den kaldeste tenkelige temperaturen, kjent som absolutt null og for lengst beregnet til å være minus 459, 67 ° F. For fysikere er temperatur et mål på hvor raskt atomer beveger seg, en refleksjon av energien deres - og absolutt null er det punktet der det absolutt ikke er varmeenergi igjen som skal utvinnes fra et stoff.
Men noen få fysikere er innstilt på å komme så nær den teoretiske grensen som mulig, og det var for å få et bedre syn på den mest sjeldne konkurransen at jeg besøkte Wolfgang Ketterles laboratorium ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. Den har for tiden rekorden - i det minste i følge Guinness World Records 2008 - for laveste temperatur: 810 billioner grader F over absolutt null. Ketterle og kollegene oppnådde den bragden i 2003 mens de jobbet med en sky - omtrent en tusendels tomme over - natriummolekyler fanget på plass av magneter.
Jeg ber Ketterle vise meg stedet der de hadde satt rekorden. Vi tar på oss vernebriller for å beskytte oss mot å bli blendet av infrarødt lys fra laserstrålene som brukes til å bremse og dermed avkjøle raske atompartikler. Vi krysser salen fra det solfylte kontoret hans inn i et mørkt rom med en sammenkoblet virvar av ledninger, små speil, vakuumrør, laserkilder og høyt drevet datautstyr. "Akkurat her, " sier han, og stemmen stiger av spenning når han peker på en svart boks som har et aluminiumsfolieinnpakket rør som fører inn i det. "Det var her vi gjorde den kaldeste temperaturen."
Ketterles prestasjon kom ut av hans jakten på en helt ny form for materie kalt et Bose-Einstein kondensat (BEC). Kondensatene er ikke standardgasser, væsker eller til og med faste stoffer. De dannes når en sky av atomer - noen ganger millioner eller flere - alle går inn i samme kvantetilstand og oppfører seg som en. Albert Einstein og den indiske fysikeren Satyendra Bose spådde i 1925 at forskere kunne generere slikt materiale ved å utsette atomer for temperaturer som nærmer seg absolutt null. Sytti år senere arbeidet Ketterle ved MIT, og nesten samtidig Carl Wieman, som jobbet ved University of Colorado i Boulder, og Eric Cornell fra National Institute of Standards and Technology i Boulder opprettet de første Bose-Einstein-kondensatene. De tre vant raskt en nobelpris. Ketterles team bruker BEC for å studere grunnleggende egenskaper for materie, for eksempel komprimerbarhet, og bedre forstå rare rare temperaturer som overfluiditet. Til slutt håper Ketterle, som mange fysikere, å oppdage nye former for materie som kan fungere som superledere ved romtemperatur, noe som vil revolusjonere hvordan mennesker bruker energi. For de fleste nobelprisvinnere er æren en lang karriere. Men for Ketterle, som var 44 år gammel da han ble tildelt sin, åpnet opprettelsen av BEC-er et nytt felt som han og kollegene vil utforske i flere tiår.
En annen utfordrer for det kaldeste stedet er over Cambridge, i Lene Vestergaard Hau laboratorium på Harvard. Hennes personlige beste er noen få milliondeler av en grad F over absolutt null, nær Ketterles, som hun også nådde mens hun opprettet BEC-er. "Vi lager BEC-er hver dag nå, " sier hun mens vi går ned en trapp til et laboratorium spekket med utstyr. En plattform i biljardbord i midten i rommet ser ut som en labyrint konstruert av bittesmå ovale speil og blyant-tynne laserstråler. Hau og hennes medarbeidere har utnyttet BEC-er, og har gjort noe som kan virke umulig: De har bremset lyset til en virtuell stillhet.
Som vi alle har hørt, er lyshastigheten en konstant: 186, 171 miles per sekund i vakuum. Men det er annerledes i den virkelige verden, utenfor et vakuum; for eksempel bøyer lys ikke bare, men bremser aldri så lett når det passerer gjennom glass eller vann. Fortsatt er det ingenting sammenlignet med hva som skjer når Hau lyser en laserstråle til en BEC: det er som å kaste en baseball i en pute. "Først fikk vi farten ned til sykkelen, " sier Hau. "Nå er det på gjennomgang, og vi kan faktisk stoppe det - hold lys på flasker helt inne i BEC, se på det, leke med det og deretter slipp det når vi er klare."
Hun er i stand til å manipulere lys på denne måten fordi tettheten og temperaturen på BEC bremser lyspulser. (Hun tok nylig eksperimentene et skritt videre, stoppet en puls i en BEC, konverterte den til elektrisk energi, overfør den til en annen BEC, for deretter å slippe den og sende den på vei igjen.) Hau bruker BEC for å oppdage mer om naturen av lys og hvordan du bruker "sakte lys" - det vil si lys fanget i BEC-er - for å forbedre behandlingshastigheten til datamaskiner og gi nye måter å lagre informasjon på.
Ikke all ultracold-forskning blir utført ved bruk av BEC-er. I Finland, for eksempel, manipulerer fysiker Juha Tuoriniemi magnetisk kjernene av rodiumatomer for å nå temperaturer på 180 billioner grader F over absolutt null. (Til tross for Guinness-rekorden, er det mange eksperter som krediterer Tuoriniemi med å oppnå enda lavere temperaturer enn Ketterle, men det avhenger av om du måler en gruppe atomer, for eksempel en BEC, eller bare deler av atomer, for eksempel kjernene.)
Det kan se ut som absolutt null er verdt å prøve å oppnå, men Ketterle sier at han vet bedre. "Vi prøver ikke, " sier han. "Hvor vi er er kald nok til våre eksperimenter." Det er rett og slett ikke verdt bryet - for ikke å nevne, ifølge fysikernes forståelse av varme og lovene i termodynamikk, umulig. "Å suge ut all energien, hver siste bit av den, og oppnå null energi og absolutt null - det vil ta universets alder å oppnå."
Tom Shachtman er forfatteren av Absolute Zero and the Conquest of Cold, grunnlaget for en fremtidig PBS "Nova" -dokumentar.
