Di mana tempat paling sejuk di alam semesta? Bukan pada bulan, di mana suhu menjunam kepada minus 378 Fahrenheit. Tidak walaupun dalam ruang luar yang paling dalam, yang mempunyai suhu latar belakang yang dianggarkan kira-kira tolak 455 ° F. Setakat yang boleh dikatakan saintis, suhu terendah yang pernah dicapai baru-baru ini diperhatikan di sini di bumi.
Kandungan Terkait
- Menjejaki Bighorns
- Zero mutlak
Barisan pemecah rekod adalah antara kemunculan fizik ultracold terkini, kajian makmal tentang perkara pada suhu yang sangat membosankan sehingga atom dan bahkan cahaya itu sendiri bertindak dengan cara yang sangat luar biasa. Rintangan elektrik dalam beberapa elemen menghilang di bawah kira-kira minus 440 ° F, sebuah fenomena yang disebut superkonduktivitas. Pada suhu yang lebih rendah, sesetengah gas cecair menjadi "superfluid" yang mampu mengalir melalui dinding yang cukup kuat untuk memegang sebarang jenis cecair yang lain; mereka seolah-olah menentang graviti kerana mereka merayap, keluar dan keluar dari bekas mereka.
Pakar fizik mengakui bahawa mereka tidak boleh mencapai suhu yang paling sejuk yang diketahui, yang dikenali sebagai sifar mutlak dan lama dahulu dikira menjadi tolak 459.67 ° F. Bagi ahli fizik, suhu adalah ukuran seberapa cepat atom bergerak, satu refleksi tenaga sifar mereka dan mutlak adalah titik di mana sama sekali tidak ada tenaga haba yang akan dikeluarkan dari bahan.
Tetapi beberapa ahli fizik berhasrat untuk mendapatkan sedekat mungkin dengan had teoretikal itu, dan untuk mendapatkan pandangan yang lebih baik mengenai pertandingan-pertandingan yang paling jarang yang saya lawat di makmal Wolfgang Ketterle di Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. Ia kini memegang rekod itu-sekurang-kurangnya mengikut Rekod Dunia Guinness 2008- untuk suhu terendah: 810 trilion pada peringkat F di atas sifar mutlak. Ketterle dan rakan-rakannya telah mencapai kejayaan pada tahun 2003 ketika bekerja dengan awan-kira-kira seribu molekul natrium seberat yang terperangkap dengan magnet.
Saya meminta Ketterle untuk menunjukkan kepada saya tempat tempat mereka menetapkan rekod. Kami memakai kacamata untuk melindungi diri daripada dibutakan oleh cahaya inframerah dari sinaran laser yang digunakan untuk melambatkan dan dengan itu menyejukkan zarah atom bergerak pantas. Kami menyeberangi dewan dari pejabatnya yang cerah ke dalam bilik gelap dengan sambungan kabel, cermin kecil, tiub vakum, sumber laser dan peralatan komputer berkuasa tinggi. "Di sini, " katanya, suaranya meningkat dengan penuh kegembiraan ketika dia menunjuk ke kotak hitam yang mempunyai tiub aluminium yang dibalut aluminium yang memasukinya. "Di sinilah kita membuat suhu yang paling sejuk."
Pencapaian Ketterle keluar dari pengejarannya dengan satu bentuk perkara baru yang dipanggil Bose-Einstein condensate (BEC). Pemeluwapan kondensat bukan gas, cecair atau padatan biasa. Mereka terbentuk apabila awan atom-kadang-kadang jutaan atau lebih-semuanya memasuki keadaan kuantum yang sama dan berkelakuan sebagai satu. Albert Einstein dan ahli fizik India Satyendra Bose meramalkan pada tahun 1925 bahawa para saintis boleh menjana perkara itu dengan menundukkan atom ke suhu yang menghampiri sifar mutlak. Tujuh puluh tahun kemudian, Ketterle, bekerja di MIT, dan hampir serentak, Carl Wieman, bekerja di University of Colorado di Boulder, dan Eric Cornell dari Institut Teknologi dan Teknologi Kebangsaan di Boulder mencipta kondensat Bose-Einstein pertama. Ketiga-tiga mereka memenangi Hadiah Nobel. Pasukan Ketterle menggunakan BEC untuk mengkaji sifat asas bahan, seperti kebolehmampatan, dan lebih memahami fenomena suhu rendah yang pelik seperti kekurangan. Pada akhirnya, Ketterle, seperti ahli fizik, berharap dapat menemukan bentuk baru bahan yang boleh bertindak sebagai superkonduktor pada suhu bilik, yang akan merevolusikan bagaimana manusia menggunakan tenaga. Bagi kebanyakan pemenang Hadiah Nobel, kehormatan menepati kerjaya yang panjang. Tetapi bagi Ketterle, yang berumur 44 tahun ketika dia dianugerahkan, penciptaan BEC membuka lapangan baru yang dia dan rekan-rekannya akan meneroka selama beberapa dekad.
Seorang lagi pesaing untuk tempat paling sejuk adalah di Cambridge, di makmal Lene Vestergaard Hau di Harvard. Kebiasaan peribadi beliau adalah beberapa juta dari F darjah di atas sifar mutlak, dekat dengan Ketterle, yang juga dicapai ketika membuat BEC. "Kami membuat BEC setiap hari sekarang, " katanya ketika kami turun tangga ke makmal yang dipenuhi dengan peralatan. Platform biliard-saiz meja di tengah-tengah bilik kelihatan seperti labirin yang dibina daripada cermin bujur kecil dan balok laser pensil-nipis. Memanfaatkan BECs, Hau dan rakan sekerjanya telah melakukan sesuatu yang mungkin tidak mungkin: mereka telah melambatkan cahaya pada keadaan maya.
Kelajuan cahaya, seperti yang kita semua dengar, adalah tetap: 186, 171 batu sesaat dalam vakum. Tetapi ia berbeza di dunia nyata, di luar vakum; contohnya, cahaya tidak hanya membungkuk tetapi juga melambatkan sedikit ketika melewati kaca atau air. Namun, itu tidak lebih berbanding dengan apa yang berlaku apabila Hau bersinar sinar laser cahaya ke dalam BEC: ia seperti melontarkan baseball ke dalam bantal. "Pertama, kami mendapat kelajuan turun ke basikal, " kata Hau. "Sekarang ia merangkak, dan kita sebenarnya boleh menghentikannya-menyimpan cahaya botol sepenuhnya di dalam BEC, melihatnya, bermain dengannya dan kemudian melepaskannya apabila kami siap."
Dia dapat memanipulasi cahaya dengan cara ini kerana kepadatan dan suhu BEC melambatkan denyutan cahaya. (Beliau baru-baru ini mengambil langkah-langkah eksperimen dengan lebih lanjut, menghentikan denyutan dalam satu BEC, mengubahnya menjadi tenaga elektrik, memindahkannya ke BEC lain, kemudian melepaskannya dan menghantarnya kembali.) Hau menggunakan BEC untuk mengetahui lebih lanjut mengenai sifat cahaya dan cara menggunakan "cahaya perlahan" -ulah cahaya yang terperangkap dalam BECs-untuk meningkatkan kelajuan pemprosesan komputer dan menyediakan cara baru untuk menyimpan maklumat.
Tidak semua penyelidikan ultracold dilakukan menggunakan BECs. Di Finland, contohnya, ahli fizik Juha Tuoriniemi secara magnetik memanipulasi teras atom rhodium untuk mencapai suhu 180 trilion pada derajat F di atas sifar mutlak. (Rekod Guinness walaupun, banyak pakar kredit Tuoriniemi dengan mencapai suhu yang lebih rendah daripada Ketterle, tetapi itu bergantung kepada sama ada anda mengukur sekumpulan atom, seperti BEC, atau hanya sebahagian atom, seperti nukleus.)
Ia mungkin kelihatan bahawa sifar mutlak patut dicuba, tetapi Ketterle mengatakan dia tahu lebih baik. "Kami tidak cuba, " katanya. "Di mana kita cukup sejuk untuk eksperimen kita." Ini sememangnya tidak bernilai masalah-tidak lagi, menurut pemahaman fizik tentang haba dan undang-undang termodinamik, mustahil. "Untuk menghisap semua tenaga, setiap bit terakhir, dan mencapai tenaga sifar dan sifar mutlak - yang akan mengambil masa alam semesta untuk dicapai."
Tom Shachtman adalah pengarang Absolute Zero dan Penaklukan Dingin, asas untuk dokumentari PBS "Nova" masa depan.
