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.
วัสดุที่เย็นที่สุดในโลก ไม่ได้อยู่ในทวีปแอนตาร์กติกา พวกมันไม่ได้อยู่บนยอดเขาเอเวอเรสต์ หรือถูกฝังอยู่ในก้อนธารน้ำแข็ง พวกมันอยู่ในห้องทดลองทางฟิสิกส์ กลุ่มก้อนแก๊สที่มีอุณหภูมิสูงกว่า อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย ซึ่งเย็นกว่าตู้เย็นของคุณถึง 395 ล้านเท่า เย็นกว่าไนโตรเจนเหลวถึง 100 ล้านเท่า และเย็นกว่าอวกาศส่วนนอก 4 ล้านเท่า อุณหภูมิที่ต่ำขนาดนั้นทำให้นักวิทยาศาสตร์ เห็นกิจกรรมที่เกิดขึ้นภายในสสาร และทำให้วิศวกร สามารถสร้างเครื่องมือมีความไวสัมผัสสูง ที่จะบอกเราเกี่ยวกับทุก ๆ สิ่ง ตั้งแต่การบอกตำแแหน่ง ของเราบนโลกใบนี้อย่างแม่นยำ ไปจนถึงสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นในเอกภพที่ห่างไกล
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.
เราสร้างอุณหภูมิเย็นจัดเช่นนั้นได้อย่างไร โดยสรุปคือ โดยการชะลออนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่ เมื่อเราพูดถึงอุณหภูมิ สิ่งที่เราหมายถึงจริง ๆ ก็คือ การเคลื่อนที่ อะตอมที่ประกอบขึ้นเป็นของแข็ง ของเหลว และแก๊สนั้น เคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา เมื่ออะตอมเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว เรารับรู้ได้ว่าสสารนั้นร้อน เมื่อพวกมันเคลื่อนที่ช้าลง เรารับรู้ได้ว่ามันเย็น
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.
ในชีวิตประจำวัน เพื่อที่จะทำให้วัตถุร้อน หรือทำให้แก๊สเย็น เราจะนำมันไปไว้ในสภาพแวดล้อมที่เย็นกว่า อย่างเช่นในตู้เย็น บางการเคลื่อนที่ของอะตอมในวัตถุที่ร้อน ถูกถ่ายโอนออกไปยังสภาพแวดล้อม และทำให้มันเย็นลง แต่มันมีข้อจำกัดอยู่ แม้แต่อวกาศก็ยังอุ่นเกินไป ต่อการสร้างอุณหภูมิที่เย็นจัด ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงได้หาทาง ในการชะลออะตอมโดยตรงแทน ด้วยลำแสงเลเซอร์
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.
ภายใต้สภาวะส่วนใหญ่ พลังงานในลำแสงเลเซอร์ทำให้วัตถุร้อนขึ้น แต่ถ้าถูกใช้ในวิธีการที่เฉพาะเจาะจง โมเมนตัมของลำแสงสามารถหยุดการเคลื่อนที่ ของอะตอม และทำให้มันเย็นลงได้ นั่นคือสิ่งที่เกิดในอุปกรณ์ที่เรียกว่า กับดักทางทัศนศาสตร์แม่เหล็ก อะตอมถูกฉีดเข้าสู่ช่องห้องสุญญากาศ และสนามแม่จะดึงพวกมันเข้าสู่ศูนย์กลาง ลำแสงเลเซอร์ที่เล็งไปที่ใจกลางห้อง ถูกปรับให้มีความถี่ที่เหมาะสม ทำให้อะตอมที่เคลื่อนเข้าหามันดูดกลืนโฟตอน ของลำแสงเลเซอร์และเคลื่อนที่ช้าลง ปรากฏการณ์เคลื่อนที่ช้าลงนี้ เกิดจากการถ่ายโอนโมเมนตัม ระหว่างอะตอมกับโฟตอน ลำแสงทั้งหมดหกทิศ ที่ถูกจัดเรียงแบบตั้งฉากกัน เพื่อให้อะตอมที่ไม่ว่าจะเคลื่อนที่ในทิศทางใด เคลื่อนที่ตัดผ่านมัน ที่ศูนย์กลาง บริเวณที่ลำแสงตัดกันนั้น อะตอมเคลื่อนที่อย่างช้า ๆ ราวกับว่ามันติดอยู่ในของเหลวข้นเหนียว เป็นปรากฏการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์ผู้คิดค้น อธิบายว่าเป็น "น้ำเชื่อมข้นเชิงแสง" กับดักทางทัศนศาสตร์แม่เหล็กเช่นนี้ สามารถทำให้อะตอมเย็นลงได้ จนถึงระดับไม่กี่ไมโครเคลวิน ประมาณ -273 องศาเซลเซียส
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.
เทคนิคนี้ถูกพัฒนาขึ้นในราว ๆ ปี ค.ศ. 1980 และนักวิทยาศาสตร์ที่พัฒนามันขึ้นมา ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1997 สำหรับการค้นพบนี้ ตั้งแต่นั้น เลเซอร์ที่ทำให้เย็นนี้ ได้รับการพัฒนาเพื่อทำให้เย็นได้มากขึ้นอีก
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.
แต่ทำไมเราถึงอยากทำให้ อะตอมมันเย็นมากขนาดนั้น ประการแรก อะตอมที่เย็น สามารถทำเป็นตัวตรวจจับได้ดี ด้วยพลังงานที่น้อย พวกมันไวต่อความผันผวน ในสภาพแวดล้อมได้อย่างน่าเหลือเชื่อ ดังนั้น มันจึงถูกใช้ในอุปกรณ์สำหรับสำรวจ แหล่งน้ำมันหรือแหล่งสะสมแร่ธาตุใต้ดิน พวกมันยังสามารถถูกใช้ เป็นนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำสูงได้ด้วย เช่น นาฬิกาอะตอมของ ดาวเทียมการหาตำแหน่งต่าง ๆ บนโลก
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.
ประการที่สอง อะตอมที่เย็นมีศักยภาพสูงมาก ในการบุกเบิกความรู้ใหม่ทางฟิสิกส์ ความไวสัมผัสของมันทำให้มันเป็นตัวเลือก ที่จะถูกใช้ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ในเครื่องตรวจจับบนอวกาศในอนาคต พวกมันมียังประโยชน์ต่อการศึกษา ปรากฏการณ์ระดับอะตอมและที่เล็กกว่านั้น ซึ่งต้องการการวัดความผันผวน ของพลังงานของอะตอมที่มีค่าน้อยมาก ทั้งหมดนี้ไม่สามารถกระทำได้ที่อุณหภูมิปกติ เมื่อความเร็วของอะตอมมีค่าประมาณ หลายร้อยเมตรต่อวินาที การทำให้เย็นด้วยเลเซอร์สามารถทำให้อะตอมช้าลง เหลือเพียงไม่กี่เซนติเมตรต่อวินาที ซึ่งเพียงพอต่อการสังเกตการเคลื่อนที่ ที่เกิดจากปรากฏการณ์ทางควอนตัมระดับอะตอม อะตอมที่เย็นจัดทำให้นักวิทยาศาสตร์ ได้ศึกษาปรากฏการณ์ต่าง ๆ เช่น การควบแน่นแบบโบส-ไอสไตน์ ซึ่งอะตอมถูกทำให้เย็นเกือบถึงศูนย์สัมบูรณ์ และกลายมาเป็นสสารในสถานะใหม่ที่พบได้ยาก
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.
ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงทำการค้นหา เพื่อเข้าใจกฏของฟิสิกส์ และเปิดเผยความลึกลับของเอกภพ พวกเขาก็จะได้รับความข่วยเหลือ จากอะตอมที่เย็นที่สุดในนั้นด้วย