Где самое холодное место во вселенной? Не на Луне, где температура падает до минус 378 по Фаренгейту. Даже в самом глубоком космосе, где расчетная фоновая температура составляет около минус 455 ° F. Насколько ученые могут сказать, самые низкие температуры, которые когда-либо были достигнуты, были недавно обнаружены здесь, на Земле.
Связанный контент
- Отслеживание снежных баранов
- Абсолютный ноль
Рекордные минимумы были среди последних достижений ультрахолодной физики, лабораторного исследования вещества при температурах, настолько ошеломляющих, что атомы и даже сам свет ведут себя весьма необычно. Электрическое сопротивление в некоторых элементах исчезает ниже примерно минус 440 ° F, явление, называемое сверхпроводимостью. При еще более низких температурах некоторые сжиженные газы становятся «сверхтекучими», способными просачиваться сквозь стенки, достаточно прочные, чтобы удерживать любой другой вид жидкости; они даже, кажется, бросают вызов гравитации, когда они ползут, снова и снова из своих контейнеров.
Физики признают, что им никогда не удастся достичь максимально возможной температуры, известной как абсолютный ноль и давно рассчитанной как минус 459, 67 ° F. Для физиков температура - это мера того, как быстро движутся атомы, отражение их энергии, а абсолютный ноль - это точка, в которой не остается абсолютно никакой тепловой энергии, которая может быть извлечена из вещества.
Но некоторые физики намереваются максимально приблизиться к этому теоретическому пределу, и именно для того, чтобы лучше понять те самые редкие соревнования, я посетил лабораторию Вольфганга Кеттерле в Массачусетском технологическом институте в Кембридже. В настоящее время он удерживает рекорд - по крайней мере, согласно Книге рекордов Гиннеса 2008 - по самой низкой температуре: 810 триллионов градусов F выше абсолютного нуля. Кеттерл и его коллеги совершили этот подвиг в 2003 году, работая с облаком - около тысячи с половиной дюймов в диаметре - молекул натрия, захваченных магнитами.
Я прошу Кеттерл показать мне место, где они установили рекорд. Мы надеваем защитные очки, чтобы защитить себя от ослепления инфракрасным светом от лазерных лучей, которые используются для замедления и, следовательно, для охлаждения быстро движущихся атомных частиц. Мы пересекаем зал из его солнечного кабинета в темную комнату с переплетенными проводами, маленькими зеркалами, вакуумными трубками, лазерными источниками и мощным компьютерным оборудованием. «Прямо здесь», - говорит он, его голос повышается от волнения, когда он указывает на черную коробку с трубкой в алюминиевой фольге, ведущей в нее. «Вот где мы сделали самую холодную температуру».
Достижение Кеттерле стало результатом его стремления к совершенно новой форме материи, называемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC). Конденсаты не являются стандартными газами, жидкостями или даже твердыми веществами. Они образуются, когда облако атомов - иногда миллионы или больше - все входит в одно и то же квантовое состояние и ведет себя как единое целое. Альберт Эйнштейн и индийский физик Сатьендра Бозе предсказали в 1925 году, что ученые могут генерировать такие вещества, подвергая атомы воздействию температур, приближающихся к абсолютному нулю. Семьдесят лет спустя Кеттерле, работающий в MIT, и почти одновременно Карл Виман, работающий в Колорадском университете в Боулдере, и Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологий в Боулдере создали первые конденсаты Бозе-Эйнштейна. Трое быстро получили Нобелевскую премию. Команда Кеттерле использует BEC для изучения основных свойств вещества, таких как сжимаемость, и для лучшего понимания странных низкотемпературных явлений, таких как сверхтекучесть. В конечном счете, Кеттерле, как и многие физики, надеется открыть для себя новые формы материи, которые могли бы действовать как сверхпроводники при комнатной температуре, что произвело бы революцию в том, как люди используют энергию. Для большинства лауреатов Нобелевской премии почетные звания - долгая карьера. Но для Кеттерле, которому было 44 года, когда он был награжден, создание BEC открыло новую область, которую он и его коллеги будут изучать десятилетиями.
Другой претендент на самое холодное место - через Кембридж, в лаборатории Лене Вестергаарда Хау в Гарварде. Ее личный рекорд - несколько миллионов долей F выше абсолютного нуля, близкий к Кеттерле, которого она тоже достигла при создании BEC. «Теперь мы делаем БЭК каждый день», - говорит она, спускаясь по лестнице в лабораторию, заполненную оборудованием. Платформа размером с бильярдный стол в центре комнаты похожа на лабиринт, построенный из крошечных овальных зеркал и тонких лазерных лучей в виде карандаша. Используя BECs, Хау и ее коллеги сделали нечто, что могло бы показаться невозможным: они замедлили свет до практически полной остановки.
Скорость света, как мы все слышали, постоянна: 186 171 миля в секунду в вакууме. Но в реальном мире все иначе, вне вакуума; например, свет не только изгибается, но и слегка замедляется, когда он проходит через стекло или воду. Тем не менее, это ничто по сравнению с тем, что происходит, когда Хау направляет лазерный луч света в BEC: это все равно, что бросать бейсбольный мяч в подушку. «Во-первых, мы понизили скорость до велосипеда», - говорит Хау. «Теперь он ползет, и мы можем остановить его - держите свет в бутылках целиком внутри BEC, посмотрите на него, поиграйте с ним, а затем отпустите, когда мы будем готовы».
Она способна управлять светом таким образом, потому что плотность и температура БЭК замедляют импульсы света. (Недавно она продвинула эксперименты на шаг вперед, остановив импульс в одном BEC, преобразовав его в электрическую энергию, передав его в другой BEC, затем выпустив и отправив снова в путь.) Хау использует BEC, чтобы узнать больше о природе света и как использовать «медленный свет», то есть свет, захваченный в БЭК, для повышения скорости обработки компьютеров и предоставления новых способов хранения информации.
Не все ультрахолодные исследования проводятся с использованием БЭК. В Финляндии, например, физик Юха Туориниеми магнитно манипулирует ядрами атомов родия, чтобы достичь температур 180 триллионов градусов F выше абсолютного нуля. (Несмотря на рекорд Гиннесса, многие эксперты считают Туориниеми достижением даже более низких температур, чем у Кеттерле, но это зависит от того, измеряете ли вы группу атомов, такую как BEC, или только части атомов, такие как ядра.)
Может показаться, что абсолютный ноль стоит пытаться достичь, но Кеттерл говорит, что он знает лучше. «Мы не пытаемся», - говорит он. «Там, где мы находимся, достаточно холодно для наших экспериментов». Это просто не стоит хлопот - не говоря уже о том, что, согласно физикам, понимание тепла и законов термодинамики невозможно. «Чтобы высосать всю энергию, каждую ее последнюю черту, и достичь нулевой энергии и абсолютного нуля - для этого потребуется возраст Вселенной».
Том Шахтман - автор книги « Абсолютный ноль» и «Покорение холода», основа будущего документального фильма PBS «Nova».
