Ό,τι ν’ ακούω με το δεξιό μου αυτί / με μάτι αριστερό το βλέπω.
Κι ό,τι καταπιάνεται ο νους να στοχαστεί, / οι χτύποι της καρδιάς το λένε πρώτοι. (Κ. Βάρναλης)

Facebooktwitterrssyoutube
slogan

Στο “τσακ”! από το απόλυτο μηδέν

Έσπασε το ρεκόρ της πιο χαμηλής θερμοκρασίας που έχει καταγραφεί ποτέ σε εργαστήριο: «πέτυχαν ψύχος σχεδόν του απόλυτου μηδενός (38 τρισεκατομμυρίων οC πάτω από τους -273,15 οC με βολή μαγνητισμένου αέριου από 120 μέτρα απόσταση»).

Η παραπάνω είδηση κυκλοφόρησε αυτές της μέρες, μέσω του live_science στην πραγματικότητα αφορά συμβάν προ 2μηνου, όταν επιστήμονες -για την ακρίβεια πιτσιρικαρία, του Πανεπιστημίου της Βρέμης στις 27 Αυγούστου ερευνώντας τις κυματικές ιδιότητες των ατόμων παρήγαγαν για λίγα δευτερόλεπτα ένα από τα ψυχρότερα σημεία του γήινου σύμπαντος. Ανέπτυξαν μια μέθοδο με την οποία η θερμοκρασία σε ένα νέφος ατόμων μειώθηκε σε τέτοιο βαθμό που ουσιαστικά τα άτομα ακινητοποιήθηκαν και κυριολεκτικά «πάγωσαν».

Βρέμη team απόλυτο μηδέν

Θα αναφερθούμε παρακάτω αναλυτικότερα, για όποιον θέλει (και μπορεί) να παρακολουθήσει τη θεωρητική πλευρά του θέματος. Σε κάθε περίπτωση, ένα γρήγορο «τρέξιμο» μας δίνει μια εικόνα του που έχει φτάσει σήμερα η επιστήμη και τις δυνατότητες του ανθρώπου, στην αξιοποίηση της έρευνας για ειρηνικούς σκοπούς.

Προς το παρόν να θυμίσουμε το απόλυτο μηδέν της φυσικής του γυμνασίου-λυκείου (-273,15 οC βαθμούς Κελσίου, κατόπιν συμφωνίας), ως «ελάχιστη θερμοκρασία που μπορεί θεωρητικά να επιτευχθεί» με την εντροπία (=«ζωηράδα» των ατόμων) να φθάνει στην ελάχιστη τιμή της (πλήρη ακινησία). Όπως ορίζεται από τους νόμους της θερμοδυναμικής, αυτό πρακτικά δεν μπορεί να προσεγγιστεί ακριβώς ούτε με τεχνητά ούτε με φυσικά μέσα, για λόγους που ξεφεύγουν από το συγκεκριμένο σημείωμα (απαίτηση συστήματος χωρίς καμιά εξάρτηση, από το περιβάλλον πράγμα αδύνατο με τα άτομα σε πλήρη ακινησία δηλ. χωρίς ενέργεια κλπ).

Θεωρητικά –αν μπορούσαμε να το πετύχουμε θα ήταν δυνατή η παραγωγή ενέργειας από το μηδέν –το περίφημο αεικίνητο το οποίο ονειρεύονταν από τα πολύ παλιά χρόνια αρχαίοι, πράγμα που αντίκειται στους συνδυασμένους 1ο & 2ο θερμοδυναμικούς νόμους.

Σχέδιο αεικίνητου από τον Ulrich von Cranach, 1672

Σχέδιο αεικίνητου από τον Ulrich von Cranach, 1672

Αριστερά, οι σφαίρες πέφτοντας θέτουν σε κίνηση τον τροχό, που μέσω του άξονα στρέφει τον κοχλία του Αρχιμήδη, στα δεξιά, που θα τις ανεβάσει ξανά πάνω, στη θέση από την οποία έπεσαν.
Θεωρητικά έτσι συνεχίζονται ο κύκλος επ’ άπειρο, όμως στην πράξη ο μηχανισμός, είναι αδύνατος όπως και κάθε αεικίνητο..

Αφηρημένη αναπαράσταση ψυχρών ατόμων

Η ομάδα των Γερμανών ερευνητών ερευνούσε τις κβαντικές ιδιότητες μιας λεγόμενης πέμπτης κατάστασης ύλης: συμπύκνωμα Bose-Einstein condensate (BEC), ένα παράγωγο αερίου που υπάρχει μόνο κάτω από πολύ κρύες συνθήκες. Ενώ βρίσκεται στη φάση BEC, η ίδια η ύλη αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν ένα μεγάλο άτομο, καθιστώντας την ένα ιδιαίτερα ελκυστικό θέμα για κβαντικούς φυσικούς που ενδιαφέρονται για τη μηχανική των υποατομικών σωματιδίων.

Σχετικά: 10 επιστημονικά ρεκόρ που καταρρίφθηκαν το 2020

Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο μοριακής δόνησης – όσο περισσότερο κινείται μια ομάδα μορίων, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία. Το απόλυτο μηδέν, λοιπόν, είναι το σημείο στο οποίο σταματά η μοριακή κίνηση – μείον 459,67 βαθμούς Φαρενάιτ, ή μείον 273,15 βαθμούς Κελσίου. Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει ακόμη μια ειδική κλίμακα για εξαιρετικά κρύες θερμοκρασίες, την κλίμακα Κέλβιν, όπου το μηδέν Κέλβιν αντιστοιχεί στο απόλυτο μηδέν.

Κοντά στο απόλυτο μηδέν, περίεργα πράγματα αρχίζουν να συμβαίνουν. Για παράδειγμα, το φως υγροποιείται και … μπορεί κυριολεκτικά να χυθεί σε ένα δοχείο, σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύθηκε το 2017 στο περιοδικό Nature Physics.

Σύμφωνα με μελέτη στο περιοδικό Nature Communications το υπερψυγμένο ήλιο σταματά να έχει τριβές σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Ενώ στο NASA’s Cold Atom Lab οι ερευνητές έχουν δει ακόμη και άτομα να υπάρχουν σε δύο μέρη ταυτόχρονα (!!).

Στο πείραμα που αναφέραμε και έσπασε τα ρεκόρ, οι επιστήμονες παγίδεψαν ένα σύννεφο περίπου 100.000 ατόμων αέριου ρουβιδίου σε ένα μαγνητικό πεδίο μέσα σε έναν θάλαμο κενού. Στη συνέχεια, ψύχθηκαν προς τα κάτω στο θάλαμο, στα 2 δισεκατομμυριοστά του βαθμού Κελσίου πάνω από το απόλυτο μηδέν, το οποίο θα ήταν παγκόσμιο ρεκόρ από μόνο του, σύμφωνα με το NewAtlas.

Εξαιρετικά μακρύ χρονικά και απίστευτα κρύο

Αλλά κι αυτό δεν ήταν αρκετά ψυχρό για τους ερευνητές, που ήθελαν να ξεπεράσουν τα όρια της φυσικής και για να τα κρυώσουν παραπάνω, χρειάστηκε να μιμηθούν συνθήκες στο βάθος του διαστήματος. Έτσι, η ομάδα μετέφερε την εγκατάστασή της στον πύργο της Βρέμης της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος, ένα ερευνητικό κέντρο μικροβαρύτητας στο Πανεπιστήμιο της Βρέμης στη Γερμανία.

Χρησιμοποιώντας θάλαμο κενού σε ελεύθερη πτώση ενώ ενεργοποιούσαν και απενεργοποιούσαν -με πολύ γρήγορες εναλλαγές, το μαγνητικό πεδίο, επιτρέποντας στο BEC να αιωρείται ανεμπόδιστο από τη βαρύτητα, επιβράδυναν τη μοριακή κίνηση των ατόμων του ρουβιδίου σχεδόν στο null. Το προκύπτον BEC έμεινε στα 38 πικοΚέλβιν – 38 τρισεκατομμύριοστά του Κέλβιν – για περίπου 2 δευτερόλεπτα, θέτοντας «ένα απόλυτο μείον ρεκόρ», ανέφερε η ομάδα στις 30 Αυγούστου στο περιοδικό Physical Review Letters. Το προηγούμενο ρεκόρ των 36 εκατομμυριοστών του Kelvin, επιτεύχθηκε από επιστήμονες στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Boulder του Κολοράντο με εξειδικευμένα λέιζερ.

Δείτε και

Το πιο κρύο γνωστό φυσικό μέρος στο σύμπαν είναι το Boomerang Nebula (νεφέλωμα Μπούμερανγκ), το οποίο βρίσκεται στον αστερισμό του Κένταυρου, περίπου 5.000 έτη φωτός από τη Γη. Η μέση θερμοκρασία του είναι -272 C (περίπου 1 Kelvin) σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος.Οι ερευνητές της νέας μελέτης ανέφεραν σε δήλωσή τους ότι, θεωρητικά, θα μπορούσαν να διατηρήσουν αυτή τη θερμοκρασία για 17 δευτερόλεπτα κάτω από συνθήκες πρακτικά χωρίς βάρος, όπως στο διάστημα. Οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί κάποια μέρα να βοηθήσουν τους επιστήμονες να δημιουργήσουν καλύτερους κβαντικούς υπολογιστές, σύμφωνα με τους ερευνητές του MIT.

Το BEK αντιπροσωπεύει μια ειδική κβαντική κατάσταση ύλης, η οποία συμβαίνει στις χαμηλότερες θερμοκρασίες και στην οποία τα μεμονωμένα άτομα σχηματίζουν, ας πούμε, ένα ενιαίο συνεκτικό κύμα ύλης. Με κύματα ύλης αυτού του είδους, πολύ ευαίσθητα όργανα μέτρησης, τα λεγόμενα παρεμβολόμετρα, μπορούν να κατασκευαστούν με τρόπο ανάλογο με τα κύματα φωτός, προκειμένου να μετρηθούν, για παράδειγμα, οι περιστροφές, οι επιταχύνσεις ή οι μικρότερες αλλαγές στη δύναμη της βαρύτητας που επενεργούν τα άτομα. Το πρώτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ακριβέστερη πλοήγηση, το δεύτερο για τη δοκιμή θεμελιωδών φυσικών θεωριών. Η δυσκολία εδώ: Το ήδη πολύ κρύο BEK εξακολουθεί να έχει χαμηλή εσωτερική ενέργεια που απομακρύνει τα άτομα. Ωστόσο, αυτή η μικρή επέκταση καθιστά αδύνατη τη χρήση ενός BEK ελεύθερης πτώσης στις προαναφερθείσες εφαρμογές για μεγαλύτερες και συνεπώς ακριβέστερες μετρήσεις.

Απόλυτο Μηδέν Abs zero

Νούμερα ασύλληπτα

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Leibniz του Ανόβερου, το ZARM στο Πανεπιστήμιο της Βρέμης, το Πανεπιστήμιο Humboldt του Βερολίνου και το Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz κατάφεραν τώρα να αναπτύξουν ένα σύστημα φακών κύματος ύλης ως μέρος του έργου QUANTUS, το οποίο επιτρέπει την επέκταση – και έτσι τελικά η Διάλυση – το BEK σταματά. Με αυτό το σύστημα φακών κύματος ύλης ήταν δυνατό να μειωθεί η εσωτερική κινητική ενέργεια ενός ΒΕΚ με 100.000 άτομα περισσότερο από ποτέ.

Αυτό σημαίνει ότι η κίνηση των ατόμων εντός του ΒΕΚ θα μπορούσε να επιβραδυνθεί έτσι ώστε να επιτευχθεί μια αποτελεσματική θερμοκρασία 38 πικοκελβίνων πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αυτό αντιστοιχεί σε 38 τρισεκατομμύρια του βαθμού πάνω από μείον 273 βαθμούς Κελσίου – απόλυτο μείον ρεκόρ. Αυτό αποδείχθηκε τελικά σε μια σειρά πειραμάτων στον πύργο πτώσης στη Βρέμη, όπου η επιβραδυνόμενη επέκταση μπορούσε να παρατηρηθεί έως και δύο δευτερόλεπτα. Επιπλέον, οι προσομοιώσεις υπολογιστών υποδεικνύουν ότι το BEK μπορεί θεωρητικά να διατηρηθεί για 17 δευτερόλεπτα σε έλλειψη βαρύτητας με τη βοήθεια του συστήματος φακών κύματος ύλης – η προϋπόθεση για μελλοντικές μετρήσεις της υψηλότερης ακρίβειας σε εκτεταμένη έλλειψη βαρύτητας, για παράδειγμα σε δορυφόρο.

Η πειραματική ρύθμιση

Το BEK δημιουργείται σε μαγνητική παγίδα, μετά την οποία απενεργοποιείται, αρχικά επεκτείνεται και στις τρεις χωρικές κατευθύνσεις. Ένας μαγνητικός φακός έχει ήδη καταφέρει να επιβραδύνει αυτή τη διαστολή και να χτυπήσει κύμα ύλης στο παρελθόν. Ωστόσο, λόγω της έντονης ασυμμετρίας της μαγνητικής παγίδας, αυτό λειτούργησε αρκετά καλά μόνο σε δύο κατευθύνσεις. Προκειμένου να σταματήσει η διαστολή και προς την τρίτη κατεύθυνση, οι ερευνητές ήταν πλέον σε θέση να χρησιμοποιήσουν μια προηγουμένως διεγερμένη συλλογική ταλάντωση του ατομικού νέφους. Εάν το ατομικό νέφος που πάλλεται λόγω αυτής της ταλάντωσης απελευθερωθεί από την παγίδα τη σωστή στιγμή, η διαστολή στην προβληματική κατεύθυνση είναι ήδη πολύ μειωμένη και η επακόλουθη χρήση του μαγνητικού φακού σταματά τελικά την επέκταση και στις υπόλοιπες δύο κατευθύνσεις. Με αυτή την πειραματική ρύθμιση, το πιο αργό εξαπλωμένο BEK και έτσι το πιο κρύο ατομικό νέφος αυτού του είδους στον κόσμο δημιουργήθηκε στον πύργο πτώσης στη Βρέμη.

Η εργασία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του κοινού προγράμματος DLR QUANTUS και υποστηρίχθηκε από το Κέντρο Κβαντικής Μηχανικής και Έρευνας Χωροχρόνου (QUEST) και τη Γερμανική Στρατηγική Αριστείας “EXC 2123 Quantum Frontiers” του Γερμανικού Ιδρύματος Ερευνών (DFG).