Kinijos kosminėje stotyje „Tiangong“ mokslininkai pasiekė naują itin žemos temperatūros rekordą – sukūrė atomų debesį, kurio „atitinkamoji temperatūra“ siekė vos 9,7 pikokelvino virš absoliutaus nulio.
Toks skaičius reiškia 0,0000000000097 kelvino ir yra beveik keturis kartus mažesnis nei ankstesnis rekordas. Rezultatai paskelbti žurnale „Science“.
Eksperimento esmė – ne stoties ar įrangos „užšaldymas“. Mokslininkai apskaičiavo energiją, susijusią su tuo, kaip greitai atomų debesis plečiasi, kai jis paleidžiamas iš spąstų: kuo mažiau energijos, tuo lėčiau debesis sklaidosi.
„Tiangong“ komanda pasiekė, kad atomas debesis plėstųsi taip lėtai, jog jį dar buvo galima aptikti net po 7 sekundžių. Būtent toks ilgas stebėjimo laikas laikomas vienu svarbiausių pasiekimo aspektų, nes atveria kelią itin jautriems matavimams.
Kas yra absoliutus nulis ir kodėl tai įspūdinga
Absoliutus nulis – maždaug minus 273,15 laipsnio Celsijaus – yra žemiausia įmanoma temperatūros riba. Priartėjus prie jos atomai ima judėti vis lėčiau, o jų elgsena tampa nebe „kasdienė“.
Net ir kosminė erdvė nėra tokia šalta, kaip gali pasirodyti: visatą užpildanti reliktinė spinduliuotė siekia apie 2,7 kelvino. „Tiangong“ eksperimente pasiektas dydis skaitine prasme yra maždaug 280 milijardų kartų mažesnis.
Ypač žemoje temperatūroje dalis atomų gali „susivienodinti“ kvantiniu požiūriu ir elgtis kolektyviai – tarsi viena bendra materijos banga. Tokia būsena vadinama Bose–Einšteino kondensatu.
Kaip buvo atšaldyti rubidžio atomai
Eksperimentas prasidėjo nuo maždaug 2 milijonų rubidžio-87 atomų, laikytų įrangoje, įrengtoje „Tiangong“ laboratoriniame modulyje. Atomus sulaikė lazerių sudarytos „gaudyklės“, kurias palaipsniui silpninant iš sistemos pasišalino energingiausi atomai.
Toks principas primena garavimu pagrįstą vėsimą: kai „pabėga“ didžiausią energiją turinčios dalelės, likusio debesies energija mažėja. Vis dėlto mikrogravitacija, kuri paprastai padeda tokiuose bandymuose, čia sukūrė ir papildomą iššūkį.
Žemėje gravitacija „padeda“ pašalinti ištrūkstančius atomus ir taip didina proceso efektyvumą. Orbitoje tokios pagalbos nėra, todėl komanda gravitacijos poveikį imitavo naudodama magnetinio lauko gradientą.
Galiausiai pavyko suformuoti apie 23 000 atomų kondensatą, kurio įprasta temperatūra siekė 3,1 nanokelvino, o didžioji dalis atomų buvo kondensato būsenoje. Toliau debesis buvo perkeltas į platesnius lazerinius spąstus ir dar lėčiau „atlaisvintas“, kad išsisklaidydamas turėtų kuo mažiau energijos.
Kodėl 7 sekundės gali būti svarbiau už rekordą
Nors pati rekordine vadinama temperatūra traukia dėmesį, kai kurie fizikai pabrėžia kitą rodiklį – kaip ilgai atomus galima stebėti laisvai besiplečiančius. Kuo daugiau laiko matavimams, tuo didesnis potencialus jautrumas.
Viena perspektyviausių krypčių – atomų interferometrija, kai materijos bangos „padalijamos“ ir vėl sujungiamos, kad būtų galima aptikti itin menkus judėjimo ar jėgų pokyčius. Tokie prietaisai galėtų tapti ypač tiksliais gravitacijos matuokliais.
Tyrėjai taip pat mini galimybę tokiais metodais testuoti pamatinius fizikos principus, pavyzdžiui, Einšteino ekvivalentiškumo principą, ir kurti lazerių šviesos struktūras, primenančias kristalų gardeles – tai galėtų padėti tirti įvairius kvantinius reiškinius.
Leave a Reply