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.
Dünyadaki en soğuk maddeler Antarktika'da değil. Everest Dağı'nın tepesinde ya da bir buz dağında gömülü de değil. Onlar fizik laboratuvarlarında: Litrelerce gaz mutlak sıfırın sadece birkaç derece üstünde tutuluyor. Bu buzdolabınızdan 395 milyon kat, sıvı nitrojenden 100 milyon kat ve uzay boşluğundan 4 milyon kat daha soğuk. Bu denli soğuk dereceler bilim insanlarına maddenin iç yapısına bir göz atma şansı ve mühendislere de gezegende tam olarak bulunduğumuz yerden uzay derinliklerinde neler olduğuna kadar her şey hakkında bilgi veren hassas aletler yapma olanağı sunuyor.
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.
Peki bu kadar düşük sıcaklıklara nasıl ulaşıyoruz? Kısaca, hareketli parçacıkları yavaşlatarak. Sıcaklık hakkında konuştuğumuzda aslında hareket hakkında konuşuyoruz. Katı, sıvı ve gazları oluşturan atomlar hareket hâlindedir. Atomlar hızlandığında maddeyi sıcak olarak algılarız. Yavaş hareket ettiklerinde ise soğuk olarak algılarız.
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.
Günlük hayatta sıcak bir maddeyi ya da gazı soğutmak için onu soğuk bir ortama koyarız; mesela bir buzdolabına. Böylece sıcak objedeki atomik hareketin bir kısmı çevreye dağılır ve sıcak olan madde soğur. Ama bunun bir sınırı var: Dış uzay bile maddeleri çok soğutmak için fazla sıcak. Bu yüzden bilim insanları atomları doğrudan yavaşlatmak için bir yöntem geliştirdi: Lazer ışını.
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.
Genelde lazer ışının enerjisi nesneleri ısıtır. Fakat özel bir şekilde kullanılarak ışının momentumu hareketli atomları yavaşlatıp soğutur. ''Manyetik-optik tuzak''ın içinde olanlar bundan ibaret. Atomlar bir vakum odasına yerleştirilir ve bir manyetik alan onları merkeze doğru çeker. Odanın merkezine tam doğru frekansa ayarlanmış bir lazer ışını tutulur ve merkeze yaklaşan bir atom lazer ışınının bir fotonunu yakalayıp yavaşlar. Bu yavaşlama etkisi atom ve foton arasındaki momentum alışverişinden kaynaklanır. Birbirine dik yerleştirilmiş altı ışın her yönden gelen atomun bu olaydan etkilenmesini sağlar. Merkezde, ışınların kesiştiği yerde, atomlar yoğun bir sıvıda takılmış gibi ağır ağır hareket eder— bu etkiyi keşfeden insanlarının deyimiyle ''optik melas''. Böyle bir manyetik-optik tuzak, atomları birkaç mikrokelvine kadar soğutabilir, yaklaşık -273 Santigrat derece.
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.
Bu yöntem 1980'lerde geliştirilmiş ve bu yöntemin keşfedilmesini sağlayan bilim insanları 1997'de Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmüştür. O zamandan beri lazer soğutma işlemi
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.
daha düşük sıcaklıklara inebilecek kadar gelişmiştir. Peki neden atomları bu kadar soğutmak isteyesiniz? Öncelikle soğuk atomlar iyi birer dedektördür. Küçük enerjileriyle, değişen çevre koşullarına fazlasıyla duyarlıdırlar. Bu yüzden yeraltı petrol ve mineral kaynaklarını arayan makinelerde ve GPS uydularında bulunan
Secondly, cold atoms hold enormous potential
yüksek doğruluk oranına sahip atomik saatlerde kullanılırlar.
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.
Ayrıca soğuk atomlar fiziğin sınırlarını derinlemesine araştırmak için yüksek bir potansiyele sahip. Aşırı hassas olduklarından gelecekte yer çekimsel dalgaları algılayan uzay dedektörlerinde kullanılabilirler. Ayrıca çok küçük atomik enerji değişimlerini ölçmeyi gerektiren atom ve atom-altı parçacık bilimi çalışmalarında da kullanılırlar. Atomlar yüzlerce m/sn hızla ilerlediklerinde bunlar normal sıcaklıklarda bastırılır. Lazer soğutma ile atomlar sadece birkaç cm/sn hızına kadar yavaşlatılabilir— kuantum etkilerinin sebep olduğu hareket gözle görülür hâle gelir. Aşırı soğuk atomlar şimdiden Bose-Einstein yoğunlaşması gibi olguları araştırmayı kolaylaştırdı. Bu deneyde atomlar neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutulur ve maddenin nadir, yeni bir hâlini oluşturur.
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.
Sonuç olarak bilim insanları hâlâ fizik yasalarını anlama ve evrenin sırlarını açığa çıkarma çabaları devam ederken içlerindeki bu "buz gibi soğuk" atomlardan yardım alıyorlar.