จุดที่เย็นที่สุดในจักรวาลคือที่ไหน? ไม่แน่นอนแน่นอนบนดวงจันทร์ที่ระดับอุณหภูมิลดต่ำลงถึง -378 ฟาเรนไฮต์ง่ายๆ ไม่แน่นอนเว้นแม้ยังในอวกาศที่ลึกที่สุด ซึ่งมีระดับอุณหภูมิพื้นหลังประมาณ -455°F ใส่่าที่ผู้เชี่ยวชาญสามารถบอกได้ ระดับอุณหภูมิที่ต่ำที่สุดที่เคยมีมาเพิ่งถูกสังเกตที่นี่บนโลก
ระดับอุณหภูมิต่ำสุดที่ทำลายสถิติเป็นหนึ่งในผลงานล่าสุดของฟิสิกส์อุลตร้าโคลด์ ซึ่งเป็นการศึกษาในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับสสารที่ระดับอุณหภูมิเย็นจัดจนแทบไม่น่าเชื่อว่าอะตอมและแม้ยังแสงเองก็มีแน่นอนพฤติกรรมที่ผิดปกติมาก ความต้านทานไฟฟ้าในองค์ประกอบบางส่วนหายไปต่ำกว่า -440°F ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด ที่ระดับอุณหภูมิต่ำกว่านี้ ก๊าซเหลวบางชนิดจะกลายเป็น “ของไหลยิ่งยวด” ซึ่งสามารถไหลซึมผ่านผนังที่แข็งพอที่จะกักเก็บของเหลวประเภทอื่นได้ พวกมันดูเหมือนจะต่อต้านแรงโน้มถ่วงในขณะที่พวกมันคลานขึ้นเหนือและออกจากภาชนะของมัน
สถานที่ที่เย็นที่สุดในจักรวาล | ศาสตร์
นักฟิสิกส์ยอมรับว่าอุณหภูมิที่เย็นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้นั้นไม่มีแน่นอนทางเป็นไปได้ ซึ่งเรียกว่าศูนย์สัมบูรณ์ และคำนวณมานานแล้วว่าอยู่ที่ -459.67°F สำหรัด้านบนักฟิสิกส์ปัจจุบัน ระดับอุณหภูมิคือการวัดความเร็วของอะตอมที่เคลื่อนที่ การสะท้อนพลังงานของอะตอม และศูนย์สัมบูรณ์คือจุดที่ไม่แน่นอนมีแน่นอนพลังงานความร้อนเหลือให้สกัดออกจากสสาร
ยังนักฟิสิกส์บางคนตั้งใจที่จะเข้าใกล้ขีดจำกัดทางทฤษฎีนั้นให้ได้มากมาย และเพื่อให้ได้มุมมองที่ได้เปรียบขึ้นเกี่ยวกับการแข่งขันที่หายากที่สุด ที่ฉันไปเยี่ยมชมห้องทดลองของ Wolfgang Ketterle ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ในเคมบริดจ์ ขณะนี้มีแน่นอนรายงาน – อย่างน้อยตาม กินเนสส์ เวิลดลง์ เรคคอร์ด ปี 2008—สำหรับอุณหภูมิต่ำสุด: 810 ล้านล้านขององศา F เหนือศูนย์สัมบูรณ์ Ketterle และเพื่อนร่วมงานของเขาประสบความสำเร็จในปี 2546 ในขณะที่ทำงานกับเมฆซึ่งมีโมเลกุลโซเดียมประมาณหนึ่งในพันของนิ้วที่ติดอยู่กับที่โดยแม่เหล็ก
ฉันขอให้ Ketterle แสดงจุดที่พวกเขาสร้างสถิติอุปทานฉันดู เราสวมแว่นตาเพื่อป้องกันตัวเองจากการถูกแสงอินฟราเรดจากลำแสงเลเซอร์บดบัง ซึ่งใช้ในการชะลอความเร็วและทำให้อนุภาคอะตอมที่เคลื่อนที่เร็วเย็นลง เราข้ามห้องโถงจากห้องทำงานที่มีแน่นอนแสงแดดส่องถึงของเขาเข้าไปในห้องมืดซึ่งมีสายไฟที่พันกันยุ่งเหยิง กระจกบานเล็ก หลอดสุญญากาศ แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ และอุปกรณ์พีซีกำลังสูง “ตรงนี้” เขาพูด เสียงของเขาดังขึ้นด้วยความตื่นเต้นขณะที่เขาชี้ไปที่กล่องดำที่มีแน่นอนท่อห่อด้วยอลูมิเนียมฟอยล์นำทางเข้าไป “นี่คือจุดที่เราทำอุณหภูมิอุปทานเย็นที่สุด”
ความสำเร็จของ Ketterle มาจากการแสวงหาสสารรูปแบบใหม่ควรจะ Bose-Einstein condensate (BEC) คอนเดนเสทไม่แน่นอนก๊าซ {ของเหลว} หรือแม้ยังของแข็งมาตรฐาน พวกมันก่อตัวขึ้นเมื่อกลุ่มเมฆของอะตอม ซึ่งบางครั้งอาจมีหลายล้านอะตอมหรือมากกว่านั้น ทั้งหมดจะเข้าสู่สถานะควอนตัมเดียวกันและทำงานเป็นหนึ่งเดียว Albert Einstein และนักฟิสิกส์ชาวอินเดีย Satyendra Bose ทำนายในปี 1925 ว่านักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างสสารดังกล่าวได้โดยการทำให้อะตอมมีระดับอุณหภูมิใกล้สิ่งอำนวยความสะดวกสัมบูรณ์ เจ็ดสิบปีประสบความสำเร็จ Ketterle ทำงานที่ MIT และเกือบพร้อมๆ ห่างกัน Carl Wieman ทำงานที่วิทยาลัย Colorado ที่ Boulder และนอกจากนี้ยังมี Eric Cornell มาจาก National Institute of Standards and Technology ใน Boulder ได้สร้างคอนเดนเสท Bose-Einstein ขึ้นเป็นครั้งแรก ทั้งสามได้รับรางวัลโนเบลทันที ทีมของ Ketterle ใช้ BEC เพื่อศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานของสสาร เช่น ความสามารถในการบีบอัด และทำความเข้าใจปรากฏการณ์ระดับอุณหภูมิต่ำแปลกๆ เช่น ของไหลยิ่งยวด อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ Ketterle ก็เหมือนกัด้านบนักฟิสิกส์หลายคน หวังว่าจะค้นพบสสารรูปแบบใหม่ที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำยิ่งยวดที่ระดับอุณหภูมิห้อง ซึ่งจะปฏิวัติเทคนิคการใช้พลังงานของมนุษย์ สำหรับผู้ได้รับรางวัลโนเบลส่วนใหญ่ เกียรติยศนี้จะครอบคลุมอาชีพการงานที่ยาวนาน ยังสำหรับ Ketterle ซึ่งอายุ 44 ปีเมื่อเขาได้รับรางวัล การพัฒนา BECs ได้เปิดสาขาใหม่ที่เขาและเพื่อนร่วมงานจะสำรวจมานานหลายทศวรรษ
ชุดแข่งอีกรายสำหรับจุดที่เย็นที่สุดคือเคมบริดจ์ในห้องทดลองของ Lene Vestergaard Hau ที่ Harvard สิ่งที่ได้เปรียบที่สุดของเธอคือไม่กี่ในล้านขององศา F เหนือศูนย์สัมบูรณ์ ใกล้เคียงกับของ Ketterle ซึ่งเธอก็ทำสำเร็จเช่นกันในขณะที่ทำ BEC “ปัจจุบันเราทำ BEC รายวัน” เธอกล่าวขณะลงบันไดไปยังห้องแล็บที่เต็มไปด้วยอุปกรณ์ แท่นขนาดเท่าโต๊ะบิลเลียดตรงกลางห้องดูเหมือนเขาวงกตที่สร้างจากกระจกทรงรีขนาดเล็กและลำแสงเลเซอร์บางไส้ดินสอ Hau และเพื่อนร่วมงานของเธอควบคุม BECs ได้ทำบางสิ่งที่อาจดูเหมือนเป็นไปไม่ได้: พวกเขาได้ชะลอแสงให้หยุดนิ่งเสมือน
ความเร็วแสงอย่างที่เราเคยได้ยินคือค่าคงที่ 186,171 ไมล์ต่อวิช่วงเวลาในสุญญากาศ ยังมันแตกต่างออกไปในโลกแห่งความเป็นจริง นอกสุญญากาศ; ตัวอย่างเช่น แสงไม่เพียงแต่โค้ง ยังยังช้าลงเล็กน้อยเมื่อผ่านกระจกหรือน้ำ ถึงกระนั้นก็ไม่แน่นอนมีแน่นอนอะไรเทียบกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อ Hau ฉายลำแสงเลเซอร์ไปที่ BEC: มันเหมือนกับการขว้างลูกเบสบอลใส่เบาะ “อย่างแรก เราลดความเร็วลงจนเท่ากับความเร็วของจักรยาน” Hau กล่าว “ปัจจุบันมันอยู่ในช่วงคลาน และเราสามารถหยุดมันได้อย่างแท้จริง เก็บแสงไว้ใน BEC จุดชมวิวมัน เล่นกับมัน แล้วปล่อยมันเมื่อเราพร้อม”
เธอสามารถจัดการกับแสงด้วยวิธีนี้ได้เนื่องจากความหนาแน่นและอุณหภูมิของ BEC ทำให้การเต้นของแสงช้าลง (เธอเพิ่งทำการทดลองไปอีกขั้น หยุดชีพจรใน BEC หนึ่ง แปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า ถ่ายโอนไปยัง BEC อีกแห่ง จากนั้นปล่อยมันและส่งมันกลับไปตามทางอีกครั้ง) Hau ใช้ BEC เพื่อค้นพบเพิ่มเติมเกี่ยวกับธรรมชาติ ของแสงและวิธีการใช้ “แสงช้า” ซึ่งก็คือแสงที่ติดอยู่ใน BECs เพื่อปรับปรุงความเร็วในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์และนำเสนอวิธีใหม่เอี่ยมๆ ในการจัดเก็บข้อมูล
การวิจัย ultracold บางส่วนไม่ได้ดำเนินการโดยใช้ BECs ตัวอย่างเช่น ในฟินแลนด์ นักฟิสิกส์ Juha Tuoriniemi จัดการแกนของอะตอมโรเดียมด้วยแม่เหล็กเพื่อให้มีแน่นอนระดับอุณหภูมิสูงถึง 180 ล้านล้านขององศา F เหนือศูนย์สัมบูรณ์ (บันทึกของกินเนสส์ได้กล่าวว่า ผู้เชี่ยวชาญหลายคนให้อันดับเครดิต Tuoriniemi ที่สามารถบรรลุระดับอุณหภูมิที่ลดลง Ketterle ได้ ยังนั่นขึ้นอยู่กับว่าคุณกำลังวัดกลุ่มของอะตอม เช่น BEC หรือเฉพาะบางส่วนของอะตอม เช่น นิวเคลียส)
อาจดูเหมือนว่าศูนย์สัมบูรณ์มีแน่นอนค่าควรแก่ความพยายามเพื่อให้ได้รับ แต่ Ketterle บอกว่าเขารู้ได้เปรียบกว่านั้น “เราไม่ได้ลอง” เขากล่าว “ที่ที่เราอยู่นั้นเย็นพอสำหรับการทดลองของเรา” มันไม่คุ้มกับปัญหา—ไม่แน่นอนต้องพูดถึง ตามความเข้าใจของนักฟิสิกส์เกี่ยวกับความร้อนและกฎของอุณหพลศาสตร์ เป็นไปไม่ได้ “การดูดพลังงานทั้งหมดออกไป เพื่อให้ได้พลังงานเป็นศูนย์และศูนย์สัมบูรณ์—นั่นต้องใช้เวลาถึงยุคของเอกภพจึงจะสำเร็จ”
ทอม ชาทแมน เป็นผู้แต่งหน้า Absolute Zero และการพิชิตความหนาวเย็นซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับสารคดี PBS “Nova” ในอนาคต แนวคิดและการค้นพบทางฟิสิกส์
วิได้เปรียบโอแนะนำ
