Rekord zimna padnie w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Do tej pory maksymalnie niskie temperatury naukowcy osiągali w laboratoriach na Ziemi. Jednak w nieważkości atomy można schłodzić jeszcze bardziej.
W czerwcu rakieta Falcon-9 wyniesie na orbitę okołoziemską laboratorium zimnych atomów, czyli skrzynkę o wymiarach mniej więcej dwóch złączonych szuflad do biurka. Będzie ona zawierać laserowe układy chłodzące oraz niewielką komorę próżniową.
To w niej chmura kilkuset tysięcy atomów (rubidu lub potasu) ma zostać schłodzona do temperatury ledwie 0,1 miliardowej części stopnia powyżej zera absolutnego. To znaczy do -273,1499999999 st. C
Zero absolutne, czyli zero w skali Kelwina (według naszej skali: 273,15 st. poniżej zera Celsjusza), to najniższa możliwa temperatura, w której ruch atomów całkowicie zamiera. Z praw fizyki kwantowej wynika, że jest ona niemożliwa do osiągnięcia, bo atomów nie da się zupełnie unieruchomić. Ale fizycy chcą się jak najbardziej zbliżyć do tej granicy i odcinają kolejne ułamki z ostatniego stopnia, jaki ich od niej dzieli.
Po co ten wyścig do zera absolutnego?
W niskich temperaturach materia przechodzi egzotyczne i zdumiewające przemiany. Na początku XX w. holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes, który jako pierwszy skroplił hel w temperaturze -269 st. C, odkrył, że w tak niskich temperaturach opór elektryczny niektórych metali całkowicie znika. To zjawisko nazwano nadprzewodnictwem. W pętli wykonanej z nadprzewodnika prąd krąży wiecznie, bo jego energia nie ulega rozproszeniu (nadprzewodniki są dziś wykorzystywane w wielu technologiach, m.in. w medycynie i pociągach magnetycznych).
Podobnie niezwykłą transformację przechodzą ciecze. W temperaturze kilku stopni powyżej zera bezwzględnego hel zmienia się w ciecz kwantową. Traci lepkość, co oznacza, że gdy np. wiruje, nie traci energii na wewnętrzne tarcie i może się poruszać bez końca. A jego cieniutka warstewka się przykleja, wspina po powierzchni i wypełza po ściankach z naczynia
Całkiem niedawno także gazy udało się wprowadzić w ultrazimny, kwantowy stan. W latach 20. zeszłego wieku przewidział to Albert Einstein na podstawie pracy, którą przesłał mu fizyk pochodzenia hinduskiego Satyendra Nath Bose. Ta przemiana przypomina nieco kondensację – skraplanie się gazu – dlatego nowy stan materii nazwano kondensatem Bosego-Einsteina.
Atomy gazu schłodzone do milionowej części stopnia powyżej absolutnego zera „skraplają się” w dokładnie tym samym stanie kwantowym (podstawowym, czyli o najniższej energii). Z każdym atomem, jak mówi fizyka kwantowa, związana jest fala. W kondensacie Bosego-Einsteina fale poszczególnych atomów – wszystkie takie same – nakładają się na siebie, sumują i ulegają wzmocnieniu, podobnie jak fotony tworzące wiązkę laserową. Tworzą jedną wielką spójną falę materii, której – jeśli atomów w gazie jest dużo – można się nawet przyglądać gołym okiem!
Po raz pierwszy udało się stworzyć i obserwować taki kondensat w rozrzedzonym gazie atomów rubidu. Stało się to 5 czerwca 1995 r. na Uniwersytecie Kolorado. Autorzy odkrycia zostali nagrodzeni Noblem. Jednym z nich był prof. Eric Cornell, który jest teraz zaangażowany w wyniesienie laboratorium zimnych atomów na stację orbitalną i planowane w nim eksperymenty.
Sztucznie stworzone kondensaty Bosego-Einsteina są najzimniejszymi substancjami we Wszechświecie, nie ma ich w przyrodzie. Nawet w próżni przestrzeni kosmicznej jak najdalej od gwiazd termometr wskaże nie mniej niż 2,7 kelwina, bo cały kosmos jest skąpany w mikrofalowym promieniowaniu tła, pozostałości po Wielkim Wybuchu, które wszystko podgrzewa do takiej właśnie temperatury
Najniższą temperaturę poza Ziemią zarejestrowano kilka lat temu w mgławicy Bumerang 5 tys. lat świetlnych od nas. Wielki obłok gazu rozpręża się tam z tak wielką szybkością, że spowodowało to spadek jego temperatury do 1 kelwina (na podobnej zasadzie chłodzi się nabój do syfonu, gdy go przedziurawimy, a znajdujący się w nim dwutlenek węgla z sykiem ucieknie i gwałtownie się rozpręży).
Ale to wciąż 10 mld razy więcej niż temperatura, którą chcą na orbicie osiągnąć fizycy.
Jak NASA stworzy najchłodniejsze miejsce we Wszechświecie?
Jeszcze w XIX w. Boltzmann i Maxwell wyliczyli, że temperatura gazu jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej (ruchu) jego molekuł. Chłodzenie jest więc sztuką spowalniania atomów.
W temperaturze pokojowej – a więc blisko 300 kelwinów – atomy poruszają się z prędkością ponad 4 tys. km na godz. Trzy stopnie powyżej zera absolutnego gnają jeszcze z prędkością 400 km na godz. Dopiero przy jednej milionowej części stopnia zwalniają do prędkości, która już nie szokuje – 1 km na godz. To szybkość wolno spacerującego człowieka
Chłodzoną chmurę atomów trzyma się w próżni i w magnetycznej pułapce, bo normalne ścianki przekazywałyby ciepło. Rozpędzony atom wyhamuje lub zatrzyma się wtedy, gdy zderzy się z innym atomem lub cząstką. Fizycy łapią gaz w krzyżowym ogniu kilku laserów. Niezależnie od tego, w którym kierunku atom chce uciec z pułapki, natrafia na wycelowane w siebie działo i strumień fotonów. Zderza się z nimi, zwalnia i wraca na miejsce.
Orbitalne laboratorium zimna będzie wyposażone także w elektromagnetyczny nóż, który odcina i wyrzuca z pułapki atomy o największych prędkościach. Przypomina to proces parowania, w którym najbardziej żwawe cząsteczki uciekają z cieczy, wskutek czego jej średnia temperatura spada.
Na samym końcu, kiedy w pułapce pozostaną już najwolniejsze z atomów, pozwala się gazowi na swobodne rozprężenie, co jeszcze trochę obniża jego temperaturę.
W tej chwili rekordem jest temperatura 0,5 miliardowej części stopnia (450 pikokelwinów), którą osiągnął kondensat atomów sodu na politechnice MIT w 2003 r. Na powierzchni Ziemi trudno jest zejść z temperaturą niżej, bo atomy poddane sile ciążenia opadają i się rozpędzają, uciekają spod ostrzału laserów. Z tego też powodu trudno jest utrzymać kondensat Bosego-Einsteina dłużej niż przez ułamek sekundy.
Badacze mają nadzieję, że na orbicie czas jego istnienia ulegnie wydłużeniu i będzie można prowadzić badania co najmniej przed 10 sekund lub nawet dłużej
Do czego to zimno się przyda?
Eksperymenty będzie prowadzić pięć zespołów badawczych. Z Ziemi, bo wszystko jest zdalnie sterowane. Pomiary mają być robione w czasie, gdy astronauci śpią, żeby zmniejszyć ryzyko drgań i zakłóceń. Ludzie na miejscu przydadzą się tylko wtedy, gdy trzeba będzie coś wymienić lub naprawić.
To poligon doświadczalny, na którym fizycy sprawdzają, jak zachowują się duże grupy kwantowo oddziałujących cząstek. Ale też nowe narzędzie do zastosowań praktycznych, np. do zwiększenia dokładności zegarów atomowych lub w nanotechnologii.
Kiedy po raz pierwszy otrzymano kondensat Bosego-Einsteina, naukowcy tłumaczyli: – Dzisiaj, kiedy znajdujemy poważne zadanie dla światła, np. pomiary lub precyzyjne operacje chirurgiczne, używa się laserów. W przyszłości, gdy zdarzy się poważna praca dla atomów, używać się będzie lasera atomowego
Wszystkie atomy kondensatu tworzą jedną spójną kwantową falę. Można ją wyprowadzić z pułapki, w której jest wytwarzana, i skierować jak wiązkę światła laserowego w określonym kierunku. Można nią napylać jednoatomowe warstwy na płytce. Albo przeprowadzać najdokładniejsze pomiary na poziomie kwantowym.
Być może uda się w ten sposób wykryć jakieś anomalie w działaniu siły grawitacji. Ułatwiłoby to poszukiwanie kwantowej teorii grawitacji łączącej teorię Einsteina z mechaniką kwantową, która jest Świętym Graalem fizyki teoretycznej.
Rekordy temperatury w naturze
* -41 st. C na terenie Polski – w Siedlcach w 1941 r.
* -58,1 st. C w Europie – we wsi Ust´-Szczugier w republice Komi (Rosja) w 1978 r.
* -67,8 st. C poza Antarktydą – w Wierchojańsku w Jakucji w 1892 r.
* -89,2 st. C zmierzone przez człowieka – na rosyjskiej stacji Wostok na Antarktydzie w 1983 r.
* -93,2 st. C zanotowane na Ziemi – pomiar z satelitów na Antarktydzie Wschodniej w 2010 r.
* -240 st. C w Układzie Słonecznym – na dnie krateru na południowym biegunie Księżyca
* -272,15 st. C poza Ziemią – mgławica Bumerang
