איפה המקום הכי קר ביקום? לא על הירח, שם הטמפרטורה צונחת למינוס 378 פרנהייט בלבד. אפילו לא בחלל החיצון העמוק ביותר, שיש לו טמפרטורת רקע משוערת בערך מינוס 455 מעלות צלזיוס. עד כמה שמדענים יכולים לדעת, הטמפרטורות הנמוכות ביותר שהושגו אי פעם נצפו ממש כאן על כדור הארץ.
תוכן קשור
- מעקב אחר הבויורנים
- אפס מוחלט
השפל שובר שיאים היו בין ההישגים האחרונים בפיזיקה אולטרה-קולית, המחקר במעבדה בחומר בטמפרטורות כה קפוא נפש עד שהאטומים ואפילו האור עצמו מתנהגים בדרכים מאוד לא שגרתיות. התנגדות חשמלית בחלק מהאלמנטים נעלמת מתחת למינוס 440 מעלות צלזיוס, תופעה המכונה מוליכות על. בטמפרטורות נמוכות עוד יותר, חלק מהגזים הנוזלים הופכים ל"נופלים נוזלים "המסוגלים לזרום דרך קירות מוצקים מספיק בכדי להחזיק כל סוג אחר של נוזלים; נראה שהם אפילו מתריסים בכוח המשיכה כשהם זוחלים, מעל ומחוצה לה מכלים.
פיזיקאים מכירים בכך שלעולם לא יוכלו להגיע לטמפרטורה הקרה ביותר שאפשר להעלות על הדעת, המכונה אפס מוחלט ומזמן מחושב למינוס 459.67 מעלות צלזיוס. לטענת הפיזיקאים, הטמפרטורה היא מדד לאופן מהיר של האטומים, שיקוף של האנרגיה שלהם - ואפס מוחלט הוא הנקודה שבה אין כמעט אנרגיית חום שנותרה להפיק מחומר.
אבל כמה פיזיקאים מתכוונים להתקרב ככל האפשר לגבול התיאורטי ההוא, וזה היה כדי לקבל מבט טוב יותר על התחרויות הנדירות ביותר שביקרתי במעבדה של וולפגנג קטרל במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס בקיימברידג '. כרגע הוא מחזיק בשיא - לפחות על פי שיאי העולם של גינס 2008 - לטמפרטורה הנמוכה ביותר: 810 טריליליונים מעלות F מעל אפס מוחלט. קטרל ועמיתיו השיגו את ההישג הזה בשנת 2003 תוך כדי עבודה עם ענן - כאלף סנטימטר לרוחב - של מולקולות נתרן שנלכדו במקום באמצעות מגנטים.
אני מבקש מקטרל להראות לי את המקום בו קבעו את השיא. הנחנו משקפי מגן כדי להגן על עצמנו מפני סנוור מאור אינפרא אדום מקורות הלייזר המשמשות להאט ובכך לקרר חלקיקים אטומיים הנעים במהירות. אנו חוצים את האולם ממשרדו שטוף השמש לחדר חשוך עם מערבל של חוטים מחוברים זה לזה, מראות קטנות, צינורות ואקום, מקורות לייזר וציוד מחשבים חזק. "ממש כאן, " הוא אומר, וקולו עולה בהתרגשות כשהוא מצביע על קופסה שחורה עם צינור עטוף אלומיניום המוביל לתוכה. "זה המקום בו ביצענו את הטמפרטורה הקרה ביותר."
ההישג של קטרל הגיע בעקבות המרדף אחר צורת חומר חדשה לחלוטין בשם עיבוי בוס-איינשטיין (BEC). העיבודים אינם גזים, נוזלים או אפילו מוצקים סטנדרטיים. הם נוצרים כאשר ענן אטומים - לפעמים מיליונים ומעלה - נכנסים לאותו מצב קוונטי ומתנהגים כאחד. אלברט איינשטיין והפיזיקאי ההודי סטיאנדרה בוס חזו בשנת 1925 כי מדענים יכולים לייצר חומר כזה על ידי הכנת האטומים לטמפרטורות המתקרבות לאפס מוחלט. שבעים שנה לאחר מכן, קטרל, שעבד ב- MIT, וכמעט בו זמנית, קרל וויימן, שעבד באוניברסיטת קולורדו בבולדר, ואריק קורנל מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בבולדר יצרו את עיבוי הבוס-איינשטיין הראשון. השלושה זכו מייד בפרס נובל. הצוות של קטרלה משתמש ב- BEC כדי לחקור תכונות בסיסיות של חומר, כמו דחיסה, ולהבנה טובה יותר של תופעות מוזרות בטמפרטורה נמוכה, כמו על-נוזלים. בסופו של דבר, קטרל, כמו פיסיקאים רבים, מקווה לגלות צורות חדשות של חומר שיכולות לשמש כמוליכי-על בטמפרטורת החדר, מה שיחולל מהפכה באופן שבו בני האדם משתמשים באנרגיה. עבור מרבית זוכי פרס נובל, הכבוד מכיל קריירה ארוכה. אבל עבור קטרלה, שהיה בן 44 כשהוענק לו, יצירת ה- BECs פתחה תחום חדש שהוא ועמיתיו יחקרו במשך עשרות שנים.
מתמודד נוסף על המקום הקר ביותר נמצא בקיימברידג ', במעבדה של לין ווסטרגארד האו בהרווארד. המיטב האישי שלה הוא כמה מיליונים של תואר F מעל אפס מוחלט, קרוב לזה של קטר, שאליה גם היא הגיעה תוך כדי יצירת BEC. "אנחנו עושים BEC מדי יום, " היא אומרת כשאנחנו יורדים בחדר מדרגות למעבדה עמוסת ציוד. פלטפורמה בגודל של ביליארד במרכז החדר נראית כמו מבוך הבנוי ממראות סגלגלות קטנטנות וקורות לייזר דקיקות בעופרת. הרותמים את חברי ה- BEC, האו וחבריה לעבודה עשו דבר שעשוי להיראות בלתי אפשרי: הם האיטו אור לקיפאון וירטואלי.
מהירות האור, כפי שכולנו שמענו, היא קבועה: 186, 171 מייל לשניה בוואקום. אבל זה שונה בעולם האמיתי, מחוץ לאקום; לדוגמה, האור לא רק מתכופף, אלא גם מאט מעט כל כך כאשר הוא עובר דרך זכוכית או מים. ובכל זאת, זה כלום לעומת מה שקורה כשהאו מאירה קרן אור לייזר ל BEC: זה כמו להשליך בייסבול לכרית. "ראשית, ירדנו למהירות של אופניים, " אומר האו. "עכשיו זה בזחילה, ואנחנו באמת יכולים לעצור את זה - לשמור על אור בבקבוקים לגמרי בתוך ה- BEC, להסתכל עליו, לשחק איתו ואז לשחרר אותו כשאנחנו מוכנים."
היא מסוגלת לתפעל אור בצורה זו מכיוון שהצפיפות והטמפרטורה של ה- BEC מאטים את פעימות האור למטה. (לאחרונה היא עשתה את הניסויים צעד נוסף קדימה, עצרה דופק ב- BEC אחד, המירה אותו לאנרגיה חשמלית, העבירה אותו ל- BEC אחר, ואז שחררה ושולחת אותו שוב בדרכה.) Hau משתמשת ב- BEC כדי לגלות יותר על הטבע של אור וכיצד להשתמש ב"אור איטי "- כלומר אור שנלכד ב- BECs - כדי לשפר את מהירות העיבוד של מחשבים ולספק דרכים חדשות לאחסון מידע.
לא כל מחקר אולטרה-קולד מתבצע באמצעות BEC. בפינלנד, למשל, הפיזיקאי ג'והא טורינימי מתמרן בצורה מגנטית על ליבות אטומי הרודיום כדי להגיע לטמפרטורות של 180 טריליליונות מעלות F מעל אפס מוחלט. (על אף שיא גינס, מומחים רבים מעניקים לזכותם של טוורינימי את השגת טמפרטורות נמוכות עוד יותר מקטרלה, אבל זה תלוי אם אתה מודד קבוצה של אטומים, כמו BEC, או רק חלקים של אטומים, כמו הגרעינים.)
נראה שאולי שווה לנסות להשיג אפס מוחלט, אך קטלר אומר שהוא יודע טוב יותר. "אנחנו לא מנסים, " הוא אומר. "איפה שאנחנו נמצאים קר מספיק לניסויים שלנו." זה פשוט לא שווה את הבעיה - שלא לדבר, על פי הבנת הפיזיקאים את החום ואת חוקי התרמודינמיקה, בלתי אפשרי. "לשאוב את כל האנרגיה, כל פיסה אחרונה בה, ולהשיג אפס אנרגיה ואפס מוחלט - זה ייקח את תקופת היקום להשיג."
טום שכטמן הוא המחבר של אפס מוחלט וכיבוש קור, הבסיס לסרט תיעודי עתידי "נובה" של PBS.
