العلماء يصلون إلى درجة حرارة قياسية: 280 مليار مرة أبرد من الكون

حتى فراغ الفضاء الذي يبدو فارغًا ليس باردًا تمامًا.

وُلد الكون منذ حوالي 13.8 مليار سنة في حالة شديدة الحرارة والكثافة لدرجة أن بقايا الإشعاع لا تزال تتخلل كل زاوية من أركانه وزواياه.

يبلغ متوسط ​​درجة الحرارة الخلفية للفضاء حوالي 2.7 كلفن، أي -270.45 درجة مئوية، أو -454.81 فهرنهايت.

والآن، نجح العلماء في صنع شيء ما يعادل درجة حرارة أقل بمقدار 280 مليار مرة، محطمين بذلك الرقم القياسي السابق في سعي البشرية للاقتراب قدر الإمكان من الصفر المطلق.

على متن محطة تيانجونج الفضائية الصينية في مدار الأرض، حقق الفيزيائيون درجة حرارة مكافئة قياسية تبلغ 9.7 بيكوكلفن فقط – أو 0.0000000000097 كلفن – “وهو، على حد علمنا، أدنى درجة حرارة مكافئة تم قياسها على الإطلاق”، كما كتب الباحثون في ورقة بحثية نشرت في عام 2017. علوم.

الصفر المطلق – أو صفر كلفن – هو الحد الأدنى النظري لدرجة الحرارة التي يمكن أن تصل إليها في الكون. عند هذه النقطة، لا يمكن للطاقة الحرارية أن تنخفض فيزيائيًا إلى أقل من ذلك. إنها مثل سرعة الضوء – وهو الحد الأساسي الذي تنص عليه قوانين الفيزياء ببساطة لا أستطيع يعبر.

ولكن على عكس سرعة الضوء، من المستحيل الوصول إلى الصفر المطلق. كلما اقترب العلماء، أصبح من الصعب إزالة الطاقة الحرارية المتبقية، حتى الوصول إلى الحد الأقصى الذي يتطلب عملية تبريد لا يمكن أن تكتمل أبدًا.

لكن هذا لم يمنع الفيزيائيين من المحاولة، وكلما اقتربوا أكثر، بدأت المادة الأكثر غرابة في التصرف.

أحد أفضل الأمثلة هو مكثف بوز-آينشتاين، وهي حالة غريبة من المادة تتشكل عندما يتم تبريد ذرات معينة إلى درجات حرارة لا تتجاوز أجزاء من الدرجة فوق الصفر المطلق.

عند هذين الحدين، تبدأ الذرات في التصرف بشكل جماعي، حيث تندمج حالاتها الكمومية الفردية في كل واحد متماسك. وتتوقف عن العمل كمجموعة من الجسيمات المنفصلة، ​​وبدلاً من ذلك تعمل تقريبًا مثل جسم كمي ضخم.

ونظرًا لأن التأثيرات الكمومية عادة ما تكون أكثر وضوحًا على المستوى الذري، فإن مكثفات بوز-آينشتاين تسمح للعلماء بدراسة السلوك الكمي على نطاق أكبر بكثير، بدلاً من محاولة مراقبته في الذرات الفردية.

ويمكن استخدامها أيضًا لإجراء قياسات حساسة للغاية للعالم المادي، مما قد يساعد العلماء على استكشاف بعض القوانين الأساسية التي تحكم الكون.

لكن صنع مكثفات بوز-آينشتاين ليس بالأمر السهل، وهنا على الأرض، تواجه العملية حدًا لا مفر منه – الجاذبية، مما يجعل من الصعب بشكل متزايد تبريد الذرات إلى مثل هذه الحدود القصوى.

لذلك أخذ الباحثون تجربتهم إلى مكان لا تمثل فيه الجاذبية مشكلة كبيرة: الفضاء.

إنهم ليسوا الأولين. أنشأت وكالة ناسا أول مكثف بوز-آينشتاين في المدار على متن محطة الفضاء الدولية في عام 2018، مما أدى إلى تبريد سحابة من ذرات الروبيديوم إلى 100 نانوكلفن.

منذ ذلك الحين، دفع آخرون هذا الاحتمال إلى أبعد من ذلك، مع تحقيق الرقم القياسي السابق البالغ 38 بيكوكلفن خلال تجربة السقوط الحر في برج إسقاط بريمن في ألمانيا. موصوفة في ورقة 2021.

استفادت التجربة الجديدة، التي قادها الفيزيائيان شياو جي تشو، وزوزونغ تشن من جامعة بكين، وويباياو تشن من الأكاديمية الصينية للعلوم، من بيئة الجاذبية الصغرى الطويلة الأمد لدفع حدود التبريد إلى أبعد من ذلك.

كما فعل كثيرون من قبلهم، بدأ الباحثون بسحابة من ذرات الروبيديوم-87، وهو نظير للعنصر مناسب بشكل خاص للتبريد بالليزر وإنشاء مكثفات بوز-آينشتاين.

استخدموا الليزر لتبريد الذرات المحصورة في مصيدة بصرية في جهاز يسمى حامل فيزياء الذرة الباردة.

ثم قاموا بتطبيق تقنية تسمى التبريد التبخيري، حيث يتم السماح للذرات الأكثر نشاطًا بالهروب، مما يترك الذرات المتبقية بطاقة أقل. يبدو الأمر كما لو أن قهوتك تصبح باردة، حيث تتسرب جزيئاتها الأكثر نشاطًا على شكل بخار.

ولكن هنا، قررت الجاذبية مرة أخرى أن تكون مشكلة. على الأرض، يمكن للجاذبية أن تساعد في هذه العملية عن طريق سحب الذرات الهاربة بعيدًا عن الفخ. وفي المدار، حيث يكون كل شيء في حالة سقوط حر مستمر، فإن تلك المساعدة مفقودة.

لذلك، بعد أن ذهبوا إلى الفضاء للتخلص من الجاذبية، كان على الباحثين إيجاد طريقة لإعادة خلق الجاذبية.

لقد فعلوا ذلك من خلال تطبيق تدرج المجال المغناطيسي الذي يحاكي تأثير الجاذبية على الذرات، مما يسمح للذرات الأكثر نشاطًا بالهروب بكفاءة أكبر.

في هذه المرحلة، احتوت التجربة على مكثف بوز-آينشتاين المكون من حوالي 20 ألف ذرة روبيديوم، تم تبريدها إلى درجة حرارة تبلغ 3.1 نانو كلفن فقط.

لكن الباحثين لم ينتهوا.

قاموا بنقل المكثفات إلى مصيدة ثانية أوسع مصنوعة من ضوء الليزر، ثم أضعفوا المصيدة تدريجيًا، مما سمح لسحابة الذرات بالانتشار وتقليل الطاقة التي ستطلقها مع توسعها.

وأخيرًا، أطفأوا المصيدة تمامًا وشاهدوا السحابة تتفرق.

لقد توسعت ببطء شديد لدرجة أن الباحثين ما زالوا قادرين على اكتشاف الذرات بعد سبع ثوانٍ من إطلاقها.

ومن خلال قياس مدى سرعة انتشار السحابة، قام الفريق بحساب درجة الحرارة المكافئة لها: رقم قياسي بلغ 9.7 بيكوكلفن.

هذه ليست تمامًا نفس درجة الحرارة التقليدية. وتصف درجة الحرارة المكافئة الطاقة المرتبطة بتوسع السحابة. إنها رؤية مدى بطء حركة الذرات، واستخدام تلك الحركة لتحديد مقدار الطاقة التي تمتلكها، والتعبير عن تلك الطاقة بالكلفن.

وبالنسبة للعلماء الذين يأملون في استخدام هذه السحب من الذرات لإجراء قياسات دقيقة للغاية، فإن هذا التمييز مهم. وكلما كان تشتت الذرات أبطأ، كلما أصبح من الممكن مراقبتها والتلاعب بها لفترة أطول – وكلما أصبحت هذه القياسات أكثر حساسية.

النقطة لا تتعلق فقط بوضع سجلات درجات الحرارة. وللنتيجة بعض الآثار الرائعة على الأبحاث المستقبلية أيضًا.

أحد التطبيقات الواعدة بشكل خاص هو قياس التداخل الذري، الذي يستغل الخصائص الموجية للذرات لقياس التغيرات الصغيرة للغاية في بيئتها.

ومع توفر المزيد من الوقت لمراقبة الذرات، يصبح بوسع العلماء بناء أدوات أكثر حساسية لاختبار الفيزياء الأساسية، بما في ذلك مبدأ التكافؤ ــ فكرة مفادها أن الجاذبية تؤثر على كل الأجسام بالتساوي، بغض النظر عن كتلتها أو تركيبها.

إن القدرة على إنتاج مثل هذه الغازات الكمومية فائقة البرودة في الفضاء يمكن أن تسمح أيضًا للباحثين باستكشاف الحالات الغريبة للمادة التي يصعب دراستها في المختبرات على الأرض.

“هذه المنصة فائقة البرودة البصرية… تلبي المتطلبات الدقيقة للمحاكاة الكمومية والقياس الدقيق في البعثات الفضائية المستقبلية، وبالتالي تضعها في موضع يسمح لها بالتقدم في مجالين علميين أساسيين.” يكتب الباحثون.

وقد تم نشر البحث في علوم.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة فيونا ماكدونالد وتم تحريره بواسطة فيونا ماكدونالد. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأً، يرجى اعلامنا.