Фізики зафіксували найнижчу температуру в історії

Рекорд у космосі

Дослідники на борту китайської космічної станції досягли еквівалентної температури 9,7 пікокельвіна, тобто 0,0000000000097 кельвіна. Це найнижча температура, яку коли-небудь вимірювали. Результати опублікували в журналі Science.

Наскільки нам відомо, це найнижча еквівалентна температура, яку будь-коли вимірювали, 
– прокоментували автори в статті.

Чому космос не такий уже й холодний?

Всесвіт народився близько 13,8 мільярда років тому в надзвичайно гарячому та щільному стані, і залишкове випромінювання з тих часів досі пронизує весь простір. Середня фонова температура космосу становить близько 2,7 кельвіна, тобто мінус 270,45 градуса Цельсія.

Абсолютний нуль, або нуль кельвінів, є теоретичною нижньою межею температури. Вона схожа на швидкість світла: фундаментальне обмеження, яке закони фізики не дозволяють перетнути. Проте досягти її неможливо. Що ближче до нуля, то важче забрати залишки теплової енергії, і зрештою для цього знадобився б процес охолодження, який ніколи не завершиться.

Навіщо охолоджувати атоми до такої межі?

Поблизу абсолютного нуля матерія поводиться дивно. Один з найкращих прикладів – конденсат Бозе-Ейнштейна. Це екзотичний стан речовини, у якому окремі квантові стани атомів зливаються в єдине ціле, і хмара фактично діє як один великий квантовий об'єкт. Завдяки цьому квантову поведінку можна вивчати на значно більших масштабах, ніж в окремих атомах. Такі конденсати також дають змогу робити надзвичайно чутливі вимірювання, які допоможуть досліджувати фундаментальні закони Всесвіту.

На Землі цьому заважає гравітація. За словами авторів статті, через її вплив на атоми в пастці завжди лишається скінченна частота утримання, а це обмежує мінімальну температуру. Тому на Землі досягли лише близько 350 пікокельвінів. Магніти, які компенсують гравітацію, створюють залишкову кривизну й теж обмежують охолодження. Іншим способом стали високі вежі та літаки з невагомістю, де атоми тимчасово перебувають у мікрогравітації. Ці методи дали рекорд 38 пікокельвінів, але він тривав лише 2 секунди, пише IFLScience.

Як вчені досягли 9,7 пікокельвіна?

Експеримент очолили фізики Сяоцзі Чжоу та Сюйцзун Чень із Пекінського університету, а також Вейбяо Чень із Китайської академії наук. Вони почали з хмари атомів рубідію-87, які добре підходять для лазерного охолодження. Атоми утримували в оптичній пастці всередині Cold Atom Physics Rack, а потім застосували випарне охолодження. Найенергійніші атоми залишають хмару, і ті, що лишаються, мають менше енергії. Так само холоне кава, коли з неї випаровуються найенергійніші молекули.

На орбіті все перебуває у стані вільного падіння, тож гравітація не допомагає відводити атоми від пастки. Тому дослідники відтворили її штучно: магнітним полем із градієнтом вони імітували дію тяжіння. У підсумку вийшов конденсат із 20 тисяч атомів рубідію, охолоджений до 3,1 нанокельвіна.

Далі конденсат перенесли в ширшу лазерну пастку й поступово послабили її. Хмара розширювалася повільніше, а її енергія зменшувалася. Потім пастку вимкнули зовсім. Хмара розходилася так повільно, що атоми вдалося виявити навіть через 7 секунд. За швидкістю розширення вчені розрахували температуру, бо вставити термометр у таку хмару неможливо.

Це еквівалентна температура: вона описує енергію розширення хмари. Вчені дивляться, наскільки повільно рухаються атоми, обчислюють їхню енергію й виражають її в кельвінах.

Що це дасть науці?

Що повільніше атоми розходяться, то довше їх можна спостерігати, а вимірювання стають точнішими. Одне з перспективних застосувань – атомна інтерферометрія, яка використовує хвильові властивості атомів для виявлення надзвичайно малих змін довкілля. З її допомогою можна перевіряти принцип еквівалентності, за яким гравітація діє на всі об'єкти однаково, незалежно від їхньої маси чи складу. Крім того, ультрахолодні гази в космосі допоможуть вивчати екзотичні стани матерії, які важко відтворити на Землі.

Ця повністю оптична ультрахолодна платформа відповідає суворим вимогам квантового моделювання та прецизійної метрології в майбутніх космічних місіях, а отже, може просунути два головні наукові напрями, 
– додали дослідники.

Попередні спроби теж проводили поза Землею. У 2018 році NASA створило перший конденсат Бозе-Ейнштейна на орбіті, на борту Міжнародної космічної станції, охолодивши хмару атомів рубідію до 100 нанокельвінів. Рекорд у 38 пікокельвінів у 2021 році встановили під час експерименту у вільному падінні в Бременській вежі падіння в Німеччині. А в 2022 році лабораторія холодних атомів на МКС досягла 52 пікокельвінів на одну секунду.

Фахівці також припускають, що екстремальне охолодження допоможе в пошуках темної енергії та в досконаліших експериментах із гравітаційними хвилями.