أبرد المواد في العالم ليست موجودة في القطب الجنوبي. ولا في قمة إفريست، وليست مدفونة تحت كتلة جليدية. بل موجودة في مختبرات فيزيائية: للسحب الغازية درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق بكسور. هي أبرد من ثلاجتك ب 395 مرة، أبرد ب 100 مرة من النيتروجين السائل، وأبرد بأربعة أضعاف من الفضاء الخارجي. درجات الحرارة المنخفضة هذه تفتح للعلماء نافذة على الأجزاء الداخلية للمادة، وتمكن المهندسين من بناء أدوات حساسة جداً تزيدنا علما حول كل شيء ابتداءً من موقعنا الدقيق على الكوكب، إلى معرفة ما الذي يحدث في أبعد طرف للكون.
The coldest materials in the world aren’t in Antarctica. They’re not at the top of Mount Everest or buried in a glacier. They’re in physics labs: clouds of gases held just fractions of a degree above absolute zero. That’s 395 million times colder than your refrigerator, 100 million times colder than liquid nitrogen, and 4 million times colder than outer space. Temperatures this low give scientists a window into the inner workings of matter, and allow engineers to build incredibly sensitive instruments that tell us more about everything from our exact position on the planet to what’s happening in the farthest reaches of the universe.
كيف تمكنا من خلق هذه البرودة القصوى؟ باختصار، عن طريق تبطيْ حركة الجزيئات. حين نتحدث عن الحرارة، فنحن نتحدث فعلياًً عن الحركة. الذرات المكونة للمواد الصلبة، السوائل، والغازات في حالة حركة دائمة. عندما تتحرك الجزيئات بسرعة، نشعر بحرارة المادة. وحين تتحرك ببطئ أكثر، نشعر ببرودتها.
How do we create such extreme temperatures? In short, by slowing down moving particles. When we’re talking about temperature, what we’re really talking about is motion. The atoms that make up solids, liquids, and gases are moving all the time. When atoms are moving more rapidly, we perceive that matter as hot. When they’re moving more slowly, we perceive it as cold.
لتبريد أي مادة ساخنة أو غاز في حياتنا اليومية، نضعه في بيئة أبرد، مثل الثلاجة. بعضٌ من الحركة الجزيئية في المادة الساخنة تنتقل إلى البيئة المحيطة، فتبرد. لكن هنالك حدود لذلك: حتى الفضاء الخارجي يعتبر أدفء من أن نصنع درجات حرارة منخفضة جداً. عوضاَ عن ذلك، وجد العلماء طريقة لتبطييء حركة الذرات مباشرة- بواسطة أشعة الليزر.
To make a hot object or gas cold in everyday life, we place it in a colder environment, like a refrigerator. Some of the atomic motion in the hot object is transferred to the surroundings, and it cools down. But there’s a limit to this: even outer space is too warm to create ultra-low temperatures. So instead, scientists figured out a way to slow the atoms down directly – with a laser beam.
في أغلب الظروف، الطاقة في حزمة أشعة الليزر تعمل على تسخين الأشياء. لكن عند استخدامها بطريقة دقيقة جداً، يستطيع زخم الأشعة أن يبطيء حركة الذرات وبالتالي يبردها. وهذه طريقة عمل جهاز الحابس الضوئي الممغنط. تُحقن الذرات في حجرة تفريغ، ثم يوجههم المجال المغناطيسي إلى المنتصف، تُسلط أشعة ليزر مضبوطة على التردد الصحيح إلى منتصف الحجرة، فتقوم الذرة المتجهة نحو الليزر بامتصاص الفوتون فتتباطئ حركتها. هذا التباطؤ ناتج عن تغيير في الزخم الحركي بين الذرة والفوتون. مجموعة من ستة حزم ضوئية متعامدة، تضمن اعتراض الذرات المتحركة في جميع الاتجاهات. في المنتصف، حيث تتقاطع تلك الحزم، تتحرك الذرات ببطء كما لو أنها عالقة في سائل كثيف. في حدث يصفه مخترعو هذه التقنية بالـ"دبس ضوئي". جهاز كالحابس الضوئي الممغنط يستطيع تبريد الذرات لدرجات مايكروكلفن بسيطة، تعادل 273 درجة مئوية تحت الصفر تقريباً.
Under most circumstances, the energy in a laser beam heats things up. But used in a very precise way, the beam’s momentum can stall moving atoms, cooling them down. That’s what happens in a device called a magneto-optical trap. Atoms are injected into a vacuum chamber, and a magnetic field draws them towards the center. A laser beam aimed at the middle of the chamber is tuned to just the right frequency that an atom moving towards it will absorb a photon of the laser beam and slow down. The slow down effect comes from the transfer of momentum between the atom and the photon. A total of six beams, in a perpendicular arrangement, ensure that atoms traveling in all directions will be intercepted. At the center, where the beams intersect, the atoms move sluggishly, as if trapped in a thick liquid — an effect the researchers who invented it described as “optical molasses.” A magneto-optical trap like this can cool atoms down to just a few microkelvins — about -273 degrees Celsius.
تم تطوير هذه التقنية في الثمانينات، والعلماء المساهمين في تطويرها، نالوا على هذا الاكتشاف جائزة نوبل في الفيزياء عام 1997. منذ ذلك الحين، تطورت تقنية التبريد بالليزر للحصول على درجات برودة أقل.
This technique was developed in the 1980s, and the scientists who'd contributed to it won the Nobel Prize in Physics in 1997 for the discovery. Since then, laser cooling has been improved to reach even lower temperatures.
لكن لماذا نريد تبريد الذرات إلى هذه الدرجة؟ أولاً، تستخدم الذرات الباردة ككاشف جيد. وباستهلاك القليل من الطاقة، هذه الذرات حساسة جداً لتقلبات البيئة. بالتالي تستخدم في أجهزة التنقيب عن البترول والرواسب المعدنية، وتعتبر أيضاً ساعة ذرية دقيقة للغاية، مثل التي تستخدم في الأقمار الصناعية لتحديد المواقع عالمياً.
But why would you want to cool atoms down that much? First of all, cold atoms can make very good detectors. With so little energy, they’re incredibly sensitive to fluctuations in the environment. So they’re used in devices that find underground oil and mineral deposits, and they also make highly accurate atomic clocks, like the ones used in global positioning satellites.
ثانياً، لاستخدامات الذرة الباردة احتمالات هائلة لاكتشاف حدود الفيزياء. تميُزها بحساسية هائلة تجعلها مرشحة لاستخدامها في الكشف عن موجات الجاذبية في أجهزة الكشف الفضائية المستقبلية. وهي أيضاً مفيدة لدراسة الظواهر الذرية وما دون الذرية. مما يتطلب قياس تقلبات غاية في الدقة في الطاقة الذرية. الذرات الغارقة في درجات حرارة طبيعية، عندما تتحرك بسرعة مئات المترات في الثانية، يستطيع الليزر تبطيئها لعدة سنتيمترات في الثانية كافية لجعل الحركة المتأثرة بالكم الذري واضحة. الذرات المبردة للحدود القصوى سمحت للعلماء بدراسة ظاهرة مثل تكثف (بوز-اينشتاين)، والتي بموجبها تكون الذرات مبردة لدرجة الصفر المطلق، فتتحول لحالة جديدة ونادرة للمادة.
Secondly, cold atoms hold enormous potential for probing the frontiers of physics. Their extreme sensitivity makes them candidates to be used to detect gravitational waves in future space-based detectors. They’re also useful for the study of atomic and subatomic phenomena, which requires measuring incredibly tiny fluctuations in the energy of atoms. Those are drowned out at normal temperatures, when atoms speed around at hundreds of meters per second. Laser cooling can slow atoms to just a few centimeters per second— enough for the motion caused by atomic quantum effects to become obvious. Ultracold atoms have already allowed scientists to study phenomena like Bose-Einstein condensation, in which atoms are cooled almost to absolute zero and become a rare new state of matter.
فبينما يستمر الباحثون في مساعيهم لفهم قوانين الفيزياء واكتشاف غموض الكون، ستساعدهم برودة الذرات في تحقيق ذلك.
So as researchers continue in their quest to understand the laws of physics and unravel the mysteries of the universe, they’ll do so with the help of the very coldest atoms in it.