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.
Самые холодные вещества в мире не в Антарктиде, не на вершине Эвереста и не в недрах ледника. Они в лабораториях физиков, это газы, имеющие температуру едва выше абсолютного ноля. Это в 395 миллионов раз холоднее, чем в холодильнике, в 100 миллионов раз холоднее, чем жидкий азот, и в 4 миллиона раз холоднее космического пространства. Такие низкие температуры позволяют учёным исследовать строение веществ, а инженерам — создавать высокочувствительные инструменты, которые позволяют нам узнавать больше обо всём — от нашего точного местонахождения на планете до происходящего в дальних уголках вселенной.
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.
Как создать такую экстремальную температуру? Если коротко, то путём замедления движущихся частиц. Говоря о температуре, мы на самом деле говорим о движении. Атомы, из которых состоят твёрдые вещества, жидкости и газы, находятся в постоянном движении. Когда атомы движутся быстро, вещество кажется горячим, когда медленно — холодным.
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.
В повседневной жизни для того, чтобы охладить предмет или газ, мы помещаем его в более холодную среду, например холодильник. Движение атомов передаётся окружающей среде, и предмет охлаждается. Но этому есть предел: даже в космосе слишком тепло для создания ультранизких температур. Поэтому учёные нашли способ замедлять атомы напрямую — лазерным лучом.
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.
В большинстве случаев энергия лазерного луча нагревает вещества, но есть способ, при котором эта энергия может замедлять атомы, охлаждая их. Это происходит в магнито-оптической ловушке. Атомы помещаются в вакуумную камеру, и магнитное поле притягивает их к центру. Луч лазера, направленный в центр камеры, имеет частоту, при которой атом поглощает фотон луча и замедляется. Эффект замедления происходит из-за переноса энергии между атомом и фотоном. Шесть лучей, пересекающихся перпендикулярно, захватывают атомы независимо от направления движения. В центре, месте пересечения лучей, атомы двигаются медленно, как будто увязли в жидкости. Этот эффект учёные назвали «оптическая патока». Такая магнито-оптическая ловушка может остужать атомы до нескольких микрокельвинов — около –273 градусов Цельсия.
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.
Этот метод был разработан в 1980-х годах, а учёные, работавшие над ним, получили в 1997 году Нобелевскую премию по физике. Метод был усовершенствован и сейчас позволяет опускать температуру ещё ниже.
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.
Почему важно охлаждать атомы так сильно? Во-первых, холодные атомы — хорошие детекторы. Имея очень мало энергии, они чувствительны к колебаниям в среде, что позволяет использовать их при поиске нефти и полезных ископаемых. Также они используются в высокоточных атомных часах, таких, как в спутниках GPS.
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.
Во-вторых, холодные атомы обладают мощным потенциалом расширить возможности физики. Сверхчувствительность может позволить применять их для регистрации гравитационных волн в детекторах в космосе. Также они помогают изучать атомные и субатомные явления, что требует измерения очень слабых колебаний энергии атомов. Эти колебания невозможно замерить при обычной температуре, когда атомы движутся со скоростью сотен метров в секунду. Лазер замедляет их скорость до нескольких сантиметров в секунду, чего достаточно для того, чтобы атомные квантовые эффекты стали видимыми. Ультрахолодные атомы уже позволили учёным изучать явления вроде конденсации Бозе-Эйнштейна, когда атомы охлаждаются почти до абсолютного ноля и переходят в новое редкое состояние вещества.
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.
Таким образом, для того, чтобы понять законы физики и разгадать тайны вселенной, учёным понадобятся её самые холодные атомы.