Физики зафиксировали самую низкую температуру в истории

Рекорд в космосе

Исследователи на борту китайской космической станции достигли эквивалентной температуры 9,7 пикокельвина, то есть 0,0000000000097 кельвина. Это самая низкая температура, которую когда-либо измеряли. Результаты опубликованы в журнале Science.

Насколько нам известно, это самая низкая эквивалентная температура, которую когда-либо измеряли– прокомментировали авторы в статье.

Почему космос не так уж и холоден?

Вселенная зародилась около 13,8 миллиарда лет назад в чрезвычайно горячем и плотном состоянии, и остаточное излучение тех времен до сих пор пронизывает все пространство. Средняя фоновая температура космоса составляет около 2,7 кельвина, то есть минус 270,45 градуса Цельсия.

Абсолютный ноль, или ноль кельвинов, является теоретическим нижним пределом температуры. Он подобен скорости света: фундаментальное ограничение, которое законы физики не позволяют преодолеть. Однако достичь его невозможно. Чем ближе к нулю, тем сложнее удалить остатки тепловой энергии, и в конечном итоге для этого потребовался бы процесс охлаждения, который никогда не завершится.

Зачем охлаждать атомы до такого предела?

Вблизи абсолютного нуля материя ведет себя странно. Один из лучших примеров – конденсат Бозе-Эйнштейна. Это экзотическое состояние вещества, в котором отдельные квантовые состояния атомов сливаются в единое целое, и облако фактически ведет себя как один большой квантовый объект. Благодаря этому квантовое поведение можно изучать в гораздо больших масштабах, чем в отдельных атомах. Такие конденсаты также позволяют проводить чрезвычайно чувствительные измерения, которые помогут исследовать фундаментальные законы Вселенной.

На Земле этому мешает гравитация. По словам авторов статьи, из-за ее влияния на атомы в ловушке всегда сохраняется конечная частота удержания, а это ограничивает минимальную температуру. Поэтому на Земле удалось достичь лишь около 350 пикокельвинов. Магниты, компенсирующие гравитацию, создают остаточную кривизну и также ограничивают охлаждение. Другим способом стали высокие башни и самолеты с невесомостью, где атомы временно находятся в условиях микрогравитации. Эти методы позволили установить рекорд в 38 пикокельвинов, но он продлился всего 2 секунды, пишет IFLScience.

Как ученые достигли 9,7 пикокельвина?

Эксперимент возглавили физики Сяоцзи Чжоу и Сюйцзун Чэнь из Пекинского университета, а также Вэйбяо Чэнь из Китайской академии наук. Они начали с облака атомов рубидия-87, которые хорошо подходят для лазерного охлаждения. Атомы удерживали в оптической ловушке внутри Cold Atom Physics Rack, а затем применили испарительное охлаждение. Наиболее энергичные атомы покидают облако, а те, что остаются, обладают меньшей энергией. Точно так же остывает кофе, когда из него испаряются наиболее энергичные молекулы.

На орбите все находится в состоянии свободного падения, поэтому гравитация не помогает отводить атомы от ловушки. Поэтому исследователи воссоздали ее искусственно: с помощью магнитного поля с градиентом они имитировали действие притяжения. В результате получился конденсат из 20 тысяч атомов рубидия, охлажденный до 3,1 нанокельвина.

Затем конденсат перенесли в более широкую лазерную ловушку и постепенно ослабили ее. Облако расширялось медленнее, а его энергия уменьшалась. Затем ловушку выключили совсем. Облако расходилось так медленно, что атомы удалось обнаружить даже через 7 секунд. По скорости расширения ученые рассчитали температуру, поскольку вставить термометр в такое облако невозможно.

Это эквивалентная температура: она описывает энергию расширения облака. Ученые смотрят, насколько медленно движутся атомы, вычисляют их энергию и выражают ее в кельвинах.

Что это даст науке?

Чем медленнее атомы расходятся, тем дольше их можно наблюдать, а измерения становятся точнее. Одно из перспективных применений – атомная интерферометрия, которая использует волновые свойства атомов для обнаружения чрезвычайно малых изменений окружающей среды. С ее помощью можно проверять принцип эквивалентности, согласно которому гравитация действует на все объекты одинаково, независимо от их массы или состава. Кроме того, ультрахолодные газы в космосе помогут изучать экзотические состояния материи, которые трудно воспроизвести на Земле.

Эта полностью оптическая ультрахолодная платформа соответствует строгим требованиям квантового моделирования и прецизионной метрологии в будущих космических миссиях, а значит, может способствовать развитию двух основных научных направлений– добавили исследователи.

Предыдущие попытки также проводились за пределами Земли. В 2018 году NASA создало первый конденсат Бозе-Эйнштейна на орбите, на борту Международной космической станции, охладив облако атомов рубидия до 100 нанокельвинов. Рекорд в 38 пикокельвинов в 2021 году был установлен во время эксперимента в свободном падении в Бременской башне свободного падения в Германии. А в 2022 году лаборатория холодных атомов на МКС достигла 52 пикокельвинов за одну секунду.

Специалисты также предполагают, что экстремальное охлаждение поможет в поисках темной энергии и в проведении более совершенных экспериментов с гравитационными волнами.