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.
Najzimniejszy materiał na świecie nie znajduje się na Antarktyce. Nie jest też na szczycie Everestu ani w środku lodowca, tylko w laboratoriach fizycznych. To chmury gazów ułamki stopnia powyżej zera absolutnego. To 395 milionów razy zimniej od lodówki, 100 milionów razy zimniej od ciekłego azotu, i 4 miliony razy zimniej od kosmosu. Tak niskie temperatury dają naukowcom wgląd w wewnętrzne działanie materii i pozwalają inżynierom budować niesamowicie czułe narzędzia, które dostarczają nam danych, od dokładnej lokalizacji planet aż po to, co się dzieje w najdalszych zakątkach wszechświata.
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.
Jak tworzy się tak niskie temperatury? W skrócie - przez spowolnienie ruchu cząsteczek. Gdy mówimy o temperaturze, tak naprawdę mamy na myśli ruch. Atomy, z których składają się ciała stałe, ciecze, oraz gazy cały czas są w ruchu. Kiedy atomy poruszają się szybciej, odczuwamy to jako ciepło. Kiedy poruszają się wolniej, odczuwamy to jako zimno.
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.
By schłodzić gorący przedmiot lub gaz umieszczamy go w chłodnym środowisku, na przykład w lodówce. Część ruchu atomów gorącego przedmiotu przenosi się do otoczenia i dzięki temu się schładza. Ale istnieje pewna granica. Nawet kosmos jest za ciepły, by stwarzać ultra niskie temperatury. Naukowcy wymyślili więc sposób, by spowalniać atomy bezpośrednio - za pomocą lasera.
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.
W większości wypadków energia lasera zwiększa temperaturę. Ale użyta w szczególny sposób wiązka lasera może zatrzymać ruch atomów, schładzając je. Takie urządzenie nazywamy pułapką magneto-optyczną. Atomy są umieszczane w komorze próżniowej, a pole magnetyczne przyciąga je do środka. Wiązka lasera wycelowana w środek komory ma odpowiednią częstotliwość, dzięki czemu atom pochłania jej foton i zwalnia. Spowolnienie jest efektem przekazania pędu między atomem a fotonem. Sześć prostopadłych wiązek lasera zapewnia, że wiązka napotka atom, niezależnie od kierunku ruchu. W środku, gdzie spotykają się wiązki, atomy poruszają się powoli, jakby uwięzione w gęstej cieczy. Nazywamy ten efekt "melasą optyczną". Magneto-optyczna pułapka umie schłodzić atomy do kilku mikrokelwinów, czyli około -273 stopni Celsjusza.
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.
Technika została odkryta w latach 80. XX wieku, a naukowcy, którzy przyczynili się do odkrycia, otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1997 roku. Później schładzanie laserem udoskonalono, by osiągać jeszcze niższe temperatury.
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.
Ale po co tak bardzo schładzać atomy? Po pierwsze, zimne atomy są świetnymi wykrywaczami. Mając tak mało energii, są niesamowicie czułe na wahania w środowisku. Używa się ich w urządzeniach wykrywających złoża oleju i minerałów. Można ich też użyć jako dokładnych zegarów atomowych, stosowanych w satelitach nawigacyjnych.
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.
Po drugie, schłodzone atomy, mają ogromny potencjał w badaniu rubieży fizyki. Ich czułość sprawia, że nadają się do wykrywania fal grawitacyjnych w kosmosie. Są też przydatne w badaniu zjawisk atomowych i cząstek elementarnych, wymagających mierzenia niewielkich wahań energii atomów, niewykrywalnych w normalnej temperaturze, kiedy atomy mają prędkość setek metrów na sekundę. Schładzanie laserem może spowolnić atomy do kilku centymetrów na sekundę, wystarczająco, by zjawiska kwantowe były dobrze widoczne. Ultrazimne atomy pozwoliły naukowcom zbadać zjawiska takie jak kondensat Bosego-Einsteina, w którym atomy są schłodzone prawie do zera absolutnego i przechodzą w rzadki nowy stan materii.
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.
W poszukiwaniu zrozumienia praw fizyki i rozwiązania zagadki wszechświata naukowcy skorzystają z pomocy bardzo zimnych atomów.