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.
世界で一番温度低い物質は 南極にはありません エベレストの山頂にもなければ 氷河にも埋まっていません これは物理学研究所にあります 絶対零度よりほんのわずかに 高い温度で保たれたガス雲です それは冷蔵庫の3億9500万分の1 液体窒素の1億分の1 宇宙空間の400万分の1の 冷たさです これほど低い温度のものは 物質内部の仕組みを知る契機を科学者に与え とても感度の高い機器を エンジニア達が作ることが可能になります これは あらゆることについて― 地球上の正確な位置から 遠い宇宙の果てにおける出来事まで より詳しく知ることを可能にします
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.
このような極端な温度は どのように作るのでしょう? 簡単に言えば 動いている粒子を 減速させたのです 温度といえば 実は運動について語っているのです 固体、液体、気体を構成する原子は 常に動いています 粒子が活発に動いている時 私たちはその物質が熱いと感じます ゆっくり動いている時は 冷たいと感じます 日常生活で熱い物や気体を 冷却するには
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.
冷蔵庫のような 冷たい環境に置きます 熱い物質の原子運動の一部は 周囲に伝達し 自らは冷却されます しかしこれには限界があり 宇宙空間でさえ極低温を作り出すには 温かすぎるのです 科学者は その代わりに原子運動を 直接遅くさせる方法を考え出しました レーザー光による方法です 大概の状況下で
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.
レーザー光のエネルギーは 物を温めます しかし ある非常に精密な方法によって レーザー光のもつ運動量が原子を失速させ 冷却することができます 磁気光学トラップとよばれる機器の中では このような現象が起きています 原子は真空チャンバーに注入され 磁場によって中心に集まります 真空チャンバーの中心に あてられたレーザー光は ちょうど良い振動数に調整され レーザー光と逆向きに動く原子は 光子を吸収して減速します この減速効果は原子と光子間で 運動量が移動することから生まれます 直交するように配置された 6つの光線が あらゆる方向に移動している原子を 確実に捉えます 光線が交わる中心では 原子はまるで濃い液体の中に 捕まったかのように鈍く動き これを発明した研究者はこの効果を 「光糖蜜」と呼んでいます このような磁気光学のトラップは 原子を絶対温度で百万分の数度にまで 冷却することができ これは およそ-273℃に相当します この手法は1980年代に開発され
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.
開発に貢献した科学者は 1997年にノーベル物理学賞を 受賞しました それ以降 レーザーによる冷却は改良され より低い温度に達することができています しかしそれほど原子を 冷却する意味は何なのでしょう
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.
第1に 極低温原子はとても性能の良い 検知器になり得るということです 原子のエネルギーはわずかなので 原子は周囲の揺らぎに 非常に敏感に反応します そのため これらは地中にある石油や 鉱床を見つけるための装置に使われたり GPS衛星に使用されるような 非常に正確な原子時計の要素になっています 第2に 極低温原子は 物理学の未開拓領域を探るための
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.
膨大な可能性を秘めています この非常に高い感度は 将来 宇宙で重力波の検知に使用する 探知器の候補となります またこれらは原子エネルギーの 微小な揺らぎの測定を必要とする 原子や亜原子レベルの現象の 研究に役立ちます このような揺らぎは 常温で 原子が毎秒数百メートルで動いている時は かき消されてしまいます レーザーによる冷却は原子の速度を 毎秒数センチにまで遅くすることができます これは原子の量子効果による運動が 明らかになるのに十分な速さです 極低温原子によって可能になった研究には ボース・アインシュタイン凝縮 などがあります この現象では 原子はほぼ絶対零度にまで冷却され 物質の状態として 新奇な状態になるのです ですから 研究者たちが 物理法則を理解し
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.
宇宙の謎を解く試みを続けるには 最も冷たい原子の力が 必要となることでしょう