Τα πιο ψυχρά υλικά στον κόσμο δεν βρίσκονται στην Ανταρκτική. Δεν βρίσκονται στην κορυφή του Έβερεστ, ούτε θαμμένα σε κάποιον παγετώνα. Βρίσκονται σε εργαστήρια φυσικής: νέφη αερίων μόλις λίγα κλάσματα του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Είναι 395 εκατομμύρια φορές ψυχρότερα από ό,τι το ψυγείο σας, 100 εκατομμύρια φορές ψυχρότερα από ό,τι το υγρό άζωτο, και 4 εκατομμύρια φορές ψυχρότερα από ό,τι το εξώτερο διάστημα. Τέτοιες χαμηλές θερμοκρασίες δίνουν στους ειδικούς μια εικόνα για τις εσωτερικές διεργασίες της ύλης και επιτρέπουν στους μηχανικούς να φτιάξουν εξαιρετικά ευαίσθητα όργανα που μας δίνουν στοιχεία για οτιδήποτε, από την ακριβή θέση μας στον πλανήτη μέχρι και τι συμβαίνει στις πιο απόμακρες περιοχές του σύμπαντος.
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.
Πώς δημιουργούμε τόσο ακραίες θερμοκρασίες; Εν συντομία, επιβραδύνοντας κινούμενα σωματίδια. Όταν μιλάμε για θερμοκρασία, στην πραγματικότητα μιλάμε για κίνηση. Τα άτομα που συνθέτουν τα στερεά, τα υγρά, και τα αέρια κινούνται ακατάπαυστα. Όταν τα άτομα κινούνται πιο γρήγορα, αντιλαμβανόμαστε την ύλη ως ζεστή. Όταν κινούνται πιο αργά, την αντιλαμβανόμαστε ως κρύα.
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.
Για να ψύξουμε ένα ζεστό αντικείμενο ή ένα αέριο στην καθημερινότητά μας, το τοποθετούμε σε κρύο περιβάλλον, όπως είναι ένα ψυγείο. Μέρος της ατομικής κίνησης του ζεστού αντικειμένου μεταφέρεται στο περιβάλλον, και έτσι ψύχεται. Αλλά υπάρχει ένα όριο σε αυτό: ακόμα και το έξω διάστημα είναι πολύ ζεστό για να αναπτύξει υπέρψυχρες θερμοκρασίες. Έτσι, οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να επιβραδύνουν απευθείας τα άτομα: με ακτίνες λέιζερ.
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.
Στις περισσότερες των περιπτώσεων, η ενέργεια από μια ακτίνα λέιζερ θερμαίνει τα πράγματα. Αλλά αν χρησιμοποιηθεί με εξαιρετική ακρίβεια, η ορμή της μπορεί να ακινητοποιήσει κινούμενα άτομα, ψύχοντάς τα. Αυτό συμβαίνει σε μια συσκευή που λέγεται «μαγνητο-οπτική παγίδα». Τα άτομα απελευθερώνονται σε έναν θάλαμο κενού και ένα μαγνητικό πεδίο τα «τραβάει» προς το κέντρο. Μια δέσμη λέιζερ που σημαδεύει το κέντρο του θαλάμου είναι ρυθμισμένη ακριβώς στη σωστή συχνότητα, ώστε ένα άτομο που κινείται προς τα εκεί θα απορροφήσει ένα φωτόνιο της δέσμης και θα επιβραδυνθεί. Το φαινόμενο της επιβράδυνσης προκύπτει από τη μεταφορά ορμής μεταξύ ατόμου και φωτονίου. Ένα σύνολο έξι ακτίνων, σε κάθετη διάταξη μεταξύ τους, εξασφαλίζει ότι τα άτομα που κινούνται σε όλες τις κατευθύνσεις θα «πιαστούν». Στο κέντρο, όπου οι ακτίνες συναντώνται, τα άτομα κινούνται με δυσκολία, σαν να είναι παγιδευμένα σε παχύρρευστο υγρό, ένα φαινόμενο που οι ερευνητές που το ανακάλυψαν το περιέγραψαν ως «οπτική μελάσσα». Μια μαγνητο-οπτική παγίδα σαν κι αυτή μπορεί να ψύξει τα άτομα έως και μερικούς μικροκέλβιν, σχεδόν στους -273 βαθμούς Κελσίου.
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.
Αυτή η τεχνική αναπτύχθηκε τη δεκαετία του ’80, και οι επιστήμονες που συνεισέφεραν σε αυτή κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής το 1997 για την ανακάλυψή τους. Έκτοτε, η ψύξη μέσω λέιζερ έχει βελτιωθεί και φτάνει ακόμα χαμηλότερες θερμοκρασίες.
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.
Αλλά γιατί να θέλει κάποιος να ψύξει τόσο πολύ τα άτομα; Κατ′ αρχάς, τα ψυχρά άτομα είναι πολύ καλοί ανιχνευτές. Με τόσο λίγη ενέργεια, είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις διακυμάνσεις του περιβάλλοντος. Έτσι, τα αξιοποιούν σε όργανα ανίχνευσης κοιτασμάτων πετρελαίου και ορυκτών, και κατασκευάζουν εξαιρετικά ακριβή ατομικά ρολόγια, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στους δορυφόρους του GPS.
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.
Δεύτερον, τα ψυχρά άτομα έχουν πολύ μεγάλες δυνατότητες να διευρύνουν τα όρια της φυσικής. Η τρομερή ευαισθησία τους τα κάνει υποψήφια προς χρήση για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων σε μελλοντικούς διαστημικούς ανιχνευτές. Είναι επίσης χρήσιμα για τη μελέτη ατομικών και υποατομικών φαινομένων, τα οποία απαιτούν τη μέτρηση εξαιρετικά μικρών διακυμάνσεων ενέργειας στα άτομα. Αυτές εξαφανίζονται υπό κανονικές θερμοκρασίες, όταν τα άτομα κινούνται τριγύρω με εκατοντάδες μέτρα το δευτερόλεπτο. Η ψύξη με λέιζερ μπορεί να επιβραδύνει τα άτομα σε λίγα εκατοστά το δευτερόλεπτο, αρκετά ώστε η κίνηση που οφείλεται σε ατομικά, κβαντικά φαινόμενα να γίνει εμφανής. Τα υπέρψυχρα άτομα έχουν ήδη επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν φαινόμενα όπως την συμπύκνωση Bose-Einstein, όπου τα άτομα ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν και μετατρέπονται σε μια νέα, σπάνια κατάσταση της ύλης.
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.
Έτσι, όσο οι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν τους φυσικούς νόμους και να ξεδιαλύνουν τα μυστήρια του σύμπαντος, θα το κάνουν με τη βοήθεια των πιο ψυχρών ατόμων που βρίσκονται μέσα του.
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.