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.
سردترین مواد زمین در قطب جنوب نیستند. در بالای قله اورست هم نیستند در یخچالهای طبیعی هم مدفون نشدهاند. آنها در آزمایشگاههای فیزیک هستند: ابرهایی از گاز که تنها کسری از درجه بالاتر از صفر مطلق هستند. یعنی ۳۹۵ میلیون بار سردتر از یخچال شما، ۱۰۰ میلیون بار سردتر از نیتروژن مایع، و ۴ میلیون بار سردتر از فضای بیرونی. دماهای چنین پایین برای دانشمندان پنجرهای به فعالیتهای درونی ماده باز میکند، و به مهندسان اجازه میدهد ابزارهایی بسیار حساس بسازند که درباره همه چیز بیشتر به ما میگویند از جایگاه دقیق ما در سیاره تا اتفاقاتی که در دوردستهای جهان رخ میدهد.
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.
چطور چنین دماهای پایینی را ایجاد میکنیم؟ به طور خلاصه، با کم کردن سرعت ذرات متحرک. وقتی از دما میگوییم در واقع درباره حرکت حرف میزنیم. اتمهایی که جامد مایع، و گازها را میسازند همواره در حرکت هستند. وقتی اتمها تندتر حرکت کنند ما ماده را داغ میپنداریم. وقتی آهستهتر حرکت کنند میگوییم ماده سرد است.
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.
برای سرد کردن یک جسم یا گاز داغ در زندگی روزمره، آن را در محیطی سردتر مانند یخچال قرار میدهیم. بعضی از تحرکات اتمی در جسم داغ به پیرامون منتقل میشود، و جسم خنک میشود. اما حدی برای آن هست: حتی فضای بیرونی هم گرمتر از آن است که دماهای فراسرد را ایجاد کند. پس در عوض، دانشمندان راهی برای کند کردن مستقیم اتمها پیدا کردند -- با یک پرتو لیزر.
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.
در اکثر شرایط، انرژی یک پرتو لیزر چیزها را گرم میکند. اما با استفاده از آن به روشی خیلی دقیق، تکانه پرتو میتواند اتمهای متحرک را از حرکت بازداشته، آنها را خنک کند. این اتفاقی است که در دستگاهی به نام تله نوری مغناطیسی رخ میدهد. اتمها به محفظهای خلا تزریق میشوند، و یک میدان مغناطیسی آنها را به مرکز میکشاند. یک پرتو لیزر به مرکز محفظه هدف گرفته میشود که دقیقا روی فرکانس درست تنظیم شده است که اتمی که به سمتش میرود یک فوتون از پرتو لیزر را جذب کرده و کند میشود. اثر آهسته شدن از انتقال تکانه بین اتم و فوتون نشات میگیرد. در مجموع شش پرتو، در چیدمانی عمودی، تضمین میکنند که اتمها در هر جهتی که حرکت کنند متوقف خواهند شد. در مرکز، جایی که پرتوها یکدیگر را قطع میکنند، اتمها چنان آهسته حرکت میکنند که انگار در مایعی غلیظ گرفتار شدهاند -- اثری که دانشمندانی که آن را اختراع کردهاند «شیره نوری» مینامند. یک تله نوری مغناطیسی مثل این میتواند اتمها را تا فقط چند میکروکلوین سرد کند -- حدود ۲۷۳- درجه سلسیوس.
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.
این روش در دهه ۸۰ میلادی توسعه یافت، و دانشمندانی که در آن مشارکت داشتند جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۹۷ را به خاطر کشفشان برنده شدند. از آن زمان، سرد کردن با لیزر پیشرفت کرده تا دماهای حتی پایینتر را ممکن کند.
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.
اما چرا باید بخواهید اتمها را تا این درجه سرد کنید؟ اول از همه، اتمهای سرد آشکارسازهای خیلی خوبی هستند. با انرژی بسیار کم، به طرز باور نکردنی به نوسانات اطراف حساس هستند. پس از آنها در دستگاههایی که نفت زیرزمینی و ذخایر معدنی را کشف میکنند استفاده میشود، آنها همچنین ساعتهای اتمی بسیار دقیق میسازند، مثل آن که در ماهواره موقعیتیاب جهانی استفاده شده است.
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.
دوم اینکه، اتمهای سرد پتانسیل خیلی زیادی در کاوش مرزهای فیزیک دارند. حساسیت بسیار زیاد، آنها را به گزینههایی برای استفاده در آشکارسازی امواج گرانشی در آشکارسازهای فضایی آینده بدل کرده است. آنها همچنین برای مطالعه پدیدههای اتمی و زیراتمی مفید هستند، که به اندازهگیری نوسانات اندک انرژی اتمها نیاز دارد. آنها در دماهای معمولی غرق میشوند، وقتی اتمها با سرعت صدها متر بر ثانیه به اطراف حرکت میکنند. سرد کردن لیزری میتواند اتمها را تا تنها چند سانتیمتر بر ثانیه کُند کند -- که برای آشکار شدن حرکت ناشی از اثرات کوانتومی اتم کافی است. اتمهای فراسرد تا کنون این امکان را به دانشمندان دادهاند تا پدیدههایی مانند چگالش بوز-انیشتین را مطالعه کنند، که در آن اتمها تا حدود صفر مطلق سرد میشوند و به حالت نادر جدیدی از ماده تبدیل میشوند.
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.
پس دانشمندان که برای درک قوانین فیزیک و پرده برداشتن از اسرار کائنات به راهشان ادامه میدهند، این کار را با کمک سردترین اتمها انجام میدهند.