Μια εντυπωσιακή επιστημονική επίδοση πέτυχε ομάδα Κινέζων ερευνητών στον διαστημικό σταθμό Tiangong, καταφέρνοντας να προσεγγίσει περισσότερο από κάθε άλλη φορά το απόλυτο μηδέν, τη χαμηλότερη θεωρητικά δυνατή θερμοκρασία στο Σύμπαν. Οι επιστήμονες ψύξανε ένα νέφος ατόμων ρουβιδίου στους μόλις 9,7 πικοκέλβιν, δηλαδή σε θερμοκρασία λιγότερο από δέκα τρισεκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από τους -273,15 βαθμούς Κελσίου.
Το επίτευγμα καταρρίπτει το προηγούμενο παγκόσμιο ρεκόρ των 38 πικοκέλβιν, που είχε καταγραφεί από γερμανική ερευνητική ομάδα το 2021. Ωστόσο, η σημασία του πειράματος δεν περιορίζεται στην επίτευξη της χαμηλότερης θερμοκρασίας που έχει καταγραφεί ποτέ σε εργαστηριακές συνθήκες.
Για πρώτη φορά οι ερευνητές κατάφεραν να παρακολουθήσουν την εξάπλωση του υπέρψυχρου ατομικού νέφους για επτά συνεχόμενα δευτερόλεπτα, δημιουργώντας νέες δυνατότητες για τη διερεύνηση θεμελιωδών νόμων της φυσικής.
Τι συμβαίνει στην ύλη κοντά στο απόλυτο μηδέν
Τα άτομα βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, η οποία επιβραδύνεται όσο μειώνεται η θερμοκρασία. Καθώς η ύλη πλησιάζει το απόλυτο μηδέν, η συμπεριφορά της μεταβάλλεται και εμφανίζονται ασυνήθιστα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής, τα οποία είναι δύσκολο να παρατηρηθούν σε συνθήκες καθημερινής θερμοκρασίας.
Ένα από τα σημαντικότερα είναι το συμπύκνωμα Bose-Einstein, μια ιδιαίτερη κατάσταση της ύλης στην οποία μεγάλος αριθμός ατόμων συμπεριφέρεται συλλογικά σαν ένα ενιαίο κβαντικό κύμα.
Την ύπαρξη αυτής της κατάστασης είχαν προβλέψει το 1924 ο Ινδός φυσικός Σατιέντρα Ναθ Μπόζε και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν. Η θεωρητική πρόβλεψη επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1995, έπειτα από 71 χρόνια, ενώ η ανακάλυψη οδήγησε στην απονομή του Νόμπελ Φυσικής το 2001.
Σε αυτές τις συνθήκες, τα άτομα μπορούν να εμφανίσουν εντυπωσιακές ιδιότητες, όπως ροή χωρίς αντίσταση και φαινόμενα κυματικής συμβολής.
Γιατί το πείραμα πραγματοποιήθηκε στο Διάστημα
Η επιλογή του Διαστήματος δεν ήταν τυχαία. Η βαρύτητα δυσκολεύει τη δημιουργία και τη μελέτη εξαιρετικά ψυχρών ατομικών αερίων, καθώς επηρεάζει τόσο τον περιορισμό των ατόμων όσο και τον χρόνο παρατήρησής τους.
Αντίθετα, οι συνθήκες μικροβαρύτητας επιτρέπουν στους επιστήμονες να συγκρατούν τα άτομα με ασθενέστερα πεδία και να τα παρακολουθούν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, επιτυγχάνοντας ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες.
Αντίστοιχη προσπάθεια είχε πραγματοποιήσει το 2020 η NASA, όταν το εργαστήριο Cold Atom Laboratory στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό δημιούργησε συμπύκνωμα Bose-Einstein στους 52 πικοκέλβιν.
Οι Κινέζοι επιστήμονες χρησιμοποίησαν διαφορετική τεχνική, αξιοποιώντας την εγκατάσταση Cold Atom Physics Rack, η οποία μεταφέρθηκε στον διαστημικό σταθμό Tiangong το 2022. Αντί για μαγνητικά πεδία, επιστράτευσαν δύο οπτικές παγίδες, στις οποίες διασταυρούμενες ακτίνες λέιζερ συγκρατούν τα άτομα.
Αρχικά παγίδευσαν περίπου δύο εκατομμύρια άτομα ρουβιδίου. Στη συνέχεια, μειώνοντας σταδιακά την ισχύ των λέιζερ, επέτρεψαν στα πιο ενεργητικά άτομα να διαφύγουν, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία των περίπου 2.000 ατόμων που απέμειναν να υποχωρήσει στους 3 νανοκέλβιν.
Ακολούθως, μετέφεραν το ατομικό νέφος σε μια μεγαλύτερη παγίδα, όπου τα άτομα μπορούσαν να εξαπλωθούν και να αλληλεπιδρούν λιγότερο μεταξύ τους. Με αυτή τη διαδικασία πέτυχαν την τελική θερμοκρασία των 9,7 πικοκέλβιν, ενώ η ταχύτητα κίνησης των ατόμων περιορίστηκε σε λιγότερα από 200 μικρόμετρα ανά δευτερόλεπτο.
Τα επτά δευτερόλεπτα που μπορεί να αλλάξουν τη φυσική
Ιδιαίτερη βαρύτητα έχει για τους επιστήμονες η δυνατότητα παρακολούθησης του ατομικού νέφους επί επτά δευτερόλεπτα μετά την απελευθέρωσή του από την παγίδα.
«Τα επτά δευτερόλεπτα είναι ακόμη πιο σημαντικά από τα 10 πικοκέλβιν», δήλωσε στο περιοδικό Science ο Χόλγκερ Μίλερ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ.
Ο μεγαλύτερος χρόνος παρατήρησης θα μπορούσε να επιτρέψει την πραγματοποίηση ακριβέστερων πειραμάτων για τον έλεγχο μιας από τις θεμελιώδεις αρχές της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν: ότι η βαρύτητα επιδρά με τον ίδιο τρόπο σε διαφορετικά είδη ατόμων.
Όπως εξήγησε ο Μίλερ, ακόμη και αν κάποια στιγμή επιτευχθούν αντίστοιχα χαμηλές θερμοκρασίες στη Γη, θα είναι εξαιρετικά δύσκολο να διατηρηθούν τα άτομα σε συνθήκες ελεύθερης πτώσης για επτά δευτερόλεπτα.
Οι εφαρμογές που ανοίγονται για το μέλλον
Η νέα τεχνική ενδέχεται να συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη τεχνολογιών αιχμής, όπως τα εξαιρετικά ακριβή ατομικά ρολόγια, οι κβαντικοί υπολογιστές και τα προηγμένα συστήματα μέτρησης της κίνησης και της βαρύτητας.
Παράλληλα, δημιουργεί νέες δυνατότητες για τη μελέτη της υπεραγωγιμότητας, την προσομοίωση συνθηκών που επικρατούσαν στο πρώιμο Σύμπαν, αλλά και την αναζήτηση της υπερελαφράς σκοτεινής ύλης.
Εντυπωσιασμένος από το αποτέλεσμα εμφανίστηκε και ο Ερνστ Ράζελ, από το Πανεπιστήμιο Leibniz του Ανόβερου, η ερευνητική ομάδα του οποίου κατείχε το προηγούμενο παγκόσμιο ρεκόρ. «Συγχαίρω τους επιστήμονες. Είμαι πολύ εντυπωσιασμένος», δήλωσε στο Science.
Οι Κινέζοι ερευνητές σχεδιάζουν ήδη την επόμενη φάση των πειραμάτων τους, με τη χρήση οπτικών πλεγμάτων, όπου τα άτομα θα παγιδεύονται σε διατάξεις φωτεινών σημείων. Στόχος είναι να προσομοιώσουν ακόμη πιο σύνθετα κβαντικά φαινόμενα, διευρύνοντας τα όρια της επιστημονικής γνώσης για τη συμπεριφορά της ύλης.