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.
Cele mai reci substanțe din lume nu se găsesc în Antarctica. Nu sunt pe vârful Everest sau îngropate într-un ghețar. Sunt în laboratoarele de fizică: nori de gaze ținuți la câteva grade sub zero absolut. Asta înseamnă că sunt de 395 milioane de ori mai reci ca frigiderul tău, de 100 milioane de ori mai reci ca nitrogenul lichid și de 4 milioane de ori mai reci decât cosmosul. Aceste temperaturi ajută la înțelegerea mecanismului de funcționare a materiei și ajută inginerii la construirea unor instrumente incredibil de precise care ne oferă informații despre tot, de la poziția exactă pe planetă până la ce se întâmplă în străfundurile universului.
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.
Cum creăm astfel de temperaturi extreme? Pe scurt, prin încetinirea particulelor în mișcare. Când vorbim despre temperatură, vorbim, de fapt, despre mișcare. Atomii care fac corpurile solide, lichide, și gazoase se mișcă în permanență. Când atomii se mișcă repede, percepem acea materie ca fiind fierbinte. Când se mișcă mai încet, o percepem rece.
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.
Pentru a răci un obiect fierbinte sau un gaz în viața de zi cu zi, îl punem într-un mediu mai rece, ca un frigider. O parte din mișcarea atomică din obiectul fierbinte e transferată în împrejurimi, iar acesta se răcește. Însă există o limită: până și cosmosul e prea călduros pentru a crea temperaturi extrem de mici. Astfel, oamenii de știință au găsit o metodă de încetinire a atomilor - cu un fascicul de lumină.
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.
În majoritatea cazurilor, energia acestui fascicul încălzește lucrurile. Dar folosit cu foarte mare precizie, impulsul fasciculului poate opri mișcarea atomilor, răcindu-i. Asta se întâmplă într-un dispozitiv numit capcană magneto-optică. Atomii sunt injectați în vid și un câmp magnetic îi atrage spre centru. Fasciculul îndreptat spre mijlocul camerei e setat pe frecvența potrivită, iar când un atom se apropie, va absorbi un foton al fasciculului și va încetini. Efectul de încetinire e rezultatul transferului de impuls dintre atom și foton. Șase fasciculi aranjați perpendicular, asigură interceptarea atomilor împrăștiați în toate direcțiile. În centru, unde fasciculele se intersectează, atomii se mișcă lent, de parcă ar fi prinși într-un lichid gros, un efect pe care cercetătorii îl descriu ca „melasă optică”. O capcană magneto-optică ca aceasta poate răci atomii la doar câțiva microkelvini - în jur de - 273 de grade Celsius.
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.
Această metodă a fost dezvoltată în anii '80, iar savanții care au contribuit la crearea ei au câștigat Premiul Nobel în Fizică în anul 1997 pentru această descoperire. De atunci, metoda a fost îmbunătățită pentru a atinge temperaturi mult mai mici.
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.
Dar de ce să răcim atomii atât de mult? Pentru început, atomii reci pot fi detectoare foarte bune. Având energie puțină, sunt incredibil de sensibili la fluctuațiile din mediul înconjurător. Astfel, sunt folosiți în dispozitive care găsesc depozite de petrol și minerale și se mai folosesc la ceasurile atomice precise ca cele folosite la poziționarea globală a sateliților.
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.
În al doilea rând, atomii reci au un potențial uriaș pentru cercetarea frontierelor fizicii. Sensibilitatea lor extremă îi face candidați pentru detectarea undelor gravitaționale în viitorii detectori spațiali. Sunt folositori și pentru studiul fenomenului atomic și subatomic, care cere măsurarea fluctuațiilor extrem de mici din energia atomilor. Aceștia sunt „înăbușiți” la temperaturi normale, când atomii au o viteză de sute de metri pe secundă. Răcirea prin laser poate încetini atomii la doar câțiva centimetri pe secundă - destul pentru ca efectele mișcării cauzate de cuantumul atomic să devină evidente. Atomii foarte reci le-au dat șansa savanților să studieze fenomene precum condensatul Bose-Einstein, în care atomii sunt răciți până aproape la zero absolut și se transformă într-un nouă stare a materiei.
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.
Pe măsură ce cercetătorii își continuă călătoria în înțelegerea legilor fizicii și descoperirea misterelor universului, ei fac acest lucru cu ajutorul celor mai reci atomi din el.