Kälteste Temperatur der Welt: 10 Pikokelvin im Weltraum

Was ist die kälteste Temperatur, die je gemessen wurde?

Die kälteste je gemeldete Temperatur ist eine Äquivalenztemperatur von 9,7 Pikokelvin, erreicht an Bord der chinesischen Raumstation und am 5. November 2026 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht ^[1][2]. Ein Pikokelvin ist ein Billionstel Kelvin, die Atome lagen also weniger als zehn Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ^[2].

Die Studie mit dem Titel „Quantum gases below 10 picokelvin in space“ berichtet von einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) aus 2,0 × 10^4, also 20.000 Atomen, das diese Äquivalenztemperatur bei einer freien Expansionszeit von 7,0 Sekunden erreichte ^[1]. Das Team verwendete Rubidiumatome ^[2][3].

Laut dem Nachrichtenbericht von Science wurde die bisher tiefste erreichte Temperatur um den Faktor vier gesenkt ^[2]. Ernst Rasel, Quantenphysiker an der Leibniz Universität Hannover, dessen Team 2021 den vorherigen Rekord aufgestellt hatte, sagte gegenüber Science: „Ich gratuliere den Wissenschaftlern. Ich bin sehr beeindruckt“ ^[2].

Viele Schlagzeilen runden den Wert auf 10 Pikokelvin. Beide Zahlen tauchen in der Berichterstattung auf: Die Studie nennt weniger als 10 pK, und der Science-Reporter beschreibt die Endgeschwindigkeiten der Atome als äquivalent zu etwa 10 pK ^[1][2].

Wie kalt sind 10 Pikokelvin im Vergleich zum Weltraum?

Weit kälter als alles, was Astronomen aus der Natur kennen. Der leere Raum ist von der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung erfüllt, die die NASA mit etwa 2,725 Kelvin angibt ^[5]. Teilt man 2,725 K durch 9,7 pK, zeigt sich: Das Hintergrundleuchten des Universums ist etwa 280 Milliarden Mal wärmer als die Atome auf Tiangong.

Der absolute Nullpunkt, 0 Kelvin, entspricht minus 273,15 °C oder minus 459,67 °F ^[4]. Auf diesen Skalen ist der neue Rekord vom absoluten Nullpunkt nicht zu unterscheiden, weshalb Physiker Kelvin und dessen winzige Untereinheiten verwenden:

• Nanokelvin (nK): ein Milliardstel Kelvin. Frühe BEC-Experimente erreichten etwa 100 nK ^[2].
• Pikokelvin (pK): ein Billionstel Kelvin. Weltraumexperimente liegen inzwischen in diesem Bereich ^[1][2].

Den exakten Nullpunkt zu erreichen, gilt als unmöglich. Eine Fassung des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik besagt, dass dafür unendlich viele Schritte nötig wären, erklärte der von Live Science befragte Physiker Saibal Mitra ^[4].

Wie haben Forscher 10 Pikokelvin erreicht?

Indem sie Rubidiumatome in Schwerelosigkeit mit Lasern einfingen, die heißesten entweichen ließen und den Rest anschließend sanft auseinanderlaufen ließen ^[2][3]. Nach der Darstellung von Science liefen die Schritte so ab ^[2]:

1. Einfangen: Etwa 2 Millionen Rubidiumatome wurden in einer inneren optischen Falle von 54 Mikrometern Breite gehalten, die dort entsteht, wo sich zwei intensive Laserstrahlen kreuzen. Die Laser arbeiteten mit 5 Watt.
2. Verdampfen: Die Leistung wurde auf 0,2 Milliwatt gesenkt, sodass die energiereicheren Atome entweichen konnten. Die verbleibenden 20.000 Atome kühlten auf 3 nK ab.
3. Ausdehnen: Die Atome durften sich in eine weitere Falle von 124 Mikrometern Durchmesser ausbreiten, wodurch ihre Wechselwirkung schwächer wurde. Am Ende bewegten sie sich mit weniger als 100 Mikrometern pro Sekunde.

„Wir behalten dieselbe Zahl von Atomen. Nur die Wechselwirkungsenergie ändert sich“, sagte Xuzong Chen von der Peking-Universität, der Chefwissenschaftler des Instruments ^[2]. Das Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ergänzt, dass Verdampfungskühlung in einer optischen Falle in Schwerelosigkeit weniger gut funktioniert; deshalb setzte das Team einen zusätzlichen Magnetfeldgradienten ein, um das Kondensat zu erzeugen ^[3].

Das Instrument ist das Cold Atom Physics Rack im Labormodul Mengtian der Station, das 2022 gestartet wurde ^[2][3]. Laut dem Institut verkleinerten die Entwickler ein Bodensystem von etwa 20 Kubikmetern und 10 Tonnen zu einem Flug-Instrument von etwa 0,7 Kubikmetern und einer halben Tonne ^[3].

Sind 9,7 Pikokelvin eine echte Temperatur?

Es handelt sich um eine Äquivalenztemperatur, die beschreibt, wie langsam sich die Atome bewegen, und nicht um einen Thermometerwert ^[3]. Das Shanghai-Institut stellt klar, dass der Wert von 9,7 pK „die extrem langsame Ausdehnung der Atome kennzeichnet“ und nicht bedeutet, dass die Geräte oder ihre Umgebung dieselbe Temperatur erreichten ^[3].

Die Studie selbst verwendet den Begriff „equivalent temperature“ ^[1]. Forscher schätzen sie daraus ab, wie schnell sich die freigelassene Atomwolke ausbreitet; langsamere Ausbreitung bedeutet weniger Energie ^[2][3]. Science gibt die Endgeschwindigkeiten mit weniger als 100 Mikrometern pro Sekunde an ^[2]. Der Bericht von Phys.org zur Studie nennt eine Unsicherheitsspanne von 7,0 bis 12,9 pK um den Wert von 9,7 pK ^[7].

Diese Unterscheidung ist beim Vergleich von Rekorden wichtig. Auch der frühere Rekord von 38 pK und die 52 pK der NASA sind effektive Temperaturen, die aus der Ausdehnungsgeschwindigkeit der Wolke abgeleitet wurden. Verglichen werden also gleichartige Größen, auch wenn sich die Experimente in der Methode unterscheiden ^[2][6][7]. Vergleiche mit der Temperatur eines Kühlschranks, eines Planeten oder des Weltraums helfen bei der Einordnung, sind aber keine exakte Physik.

Warum wurde der Rekord im Weltraum und nicht auf der Erde aufgestellt?

Die Schwerkraft zieht ultrakalte Atome nach unten, weshalb Forscher sie in stärkeren Fallen halten müssen, die sie wärmer halten ^[2][3]. Science erklärt, dass die Schwerkraft die Atome gegen die Felder presst, die sie schweben lassen, und so ihre Temperatur erhöht ^[2]. Im Orbit lässt sich die Falle deutlich schwächer machen, und die Atome können länger beobachtet werden ^[3].

Der MIT-Physiker Wolfgang Ketterle, Nobelpreisträger von 2001, ordnete die siebensekündige Beobachtung ein: „Auf der Erde würde sie etwa 250 Meter tief fallen, sie würde also tatsächlich auf den Boden stürzen, es sei denn, man hätte eine Vakuumkammer, die 250 Meter hoch ist“ ^[3].

Zu den früheren Versuchen, der Schwerkraft zu entkommen, gehörten Atomchips, die Fallrohre hinabfielen oder mit suborbitalen Raketen flogen ^[2]. Die NASA brachte ihr Cold Atom Laboratory 2018 zur Internationalen Raumstation ^[2], und ein auf der Station erzeugtes Bose-Einstein-Kondensat erreichte effektive Temperaturen von bis zu 52 pK, gemeldet 2022 in Nature Communications ^[6]. Der bisherige Rekord von 38 pK bei 2 Sekunden freier Expansion stammte aus einer magnetischen Atomchip-Falle in Schwerelosigkeit ^[1]; Science News beschreibt ihn als Fallturm-Experiment, veröffentlicht 2021 ^[6].

Das chinesische Instrument unterscheidet sich dadurch, dass es optische Fallen aus Laserlicht statt magnetischer verwendet ^[1][2]. Die Studie hält fest, dass optische Fallen zuvor nicht genutzt wurden, um solche Quantengase in Schwerelosigkeit zu erzeugen ^[1].

Was ist ein Bose-Einstein-Kondensat?

Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein Materiezustand, in dem sehr kalte Atome sich in einer einzigen Quantenwelle sammeln und sich gemeinsam verhalten ^[2][3]. Science vergleicht es mit den Photonen in einem Laserstrahl und weist darauf hin, dass Atome in einem BEC ohne Widerstand fließen und Interferenzmuster bilden können ^[2].

Satyendra Nath Bose und Albert Einstein sagten Kondensate 1924 voraus; zwei Teams stellten sie 1995 erstmals her, eines mit Rubidium-87 und eines mit Natrium-23, eine Arbeit, die 2001 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde ^[2]. Live Science beschreibt das Kondensat so, dass es sich ähnlich wie ein einzelnes Atom verhält ^[4].

Weil die Effekte auf Größenordnungen sichtbar sind, die weit über einzelne Atome hinausgehen, können Forscher mit BECs Quantenverhalten direkt untersuchen ^[3]. Eine einsteigerfreundliche Einführung in verwandte Ideen bietet Quantum Computing Explained for Beginners: What It Is and What It Is Not. Eine weitere Weltraum-Wissenschaftsmeldung dieser Woche finden Sie unter Euclid-Weltraumteleskop: Was die neue ESA-Karte zeigt.

Wofür könnten ultrakalte Atome im Weltraum genutzt werden?

Vor allem für Präzisionsmessungen und Quantensimulation; die Forscher und unabhängige Experten bezeichnen dies als Richtungen für künftige Arbeiten ^[2][3].

• Tests der Gravitation: Lange Expansionszeiten eignen sich ideal für Interferenzexperimente, die prüfen könnten, ob die Schwerkraft auf alle Atomarten gleich wirkt, wie die Allgemeine Relativitätstheorie annimmt, berichtet Science ^[2]. „Die 7 Sekunden sind eine noch wichtigere Kennzahl als die 10 Pikokelvin“, sagte Holger Mueller von der UC Berkeley ^[2].
• Atominterferometer: Rasel sagte dem Shanghai-Institut, dass ihre Empfindlichkeit mit dem Quadrat der Zeit steigt, die Atome im Instrument verbringen, und dass solche Geräte helfen könnten, das Schwerefeld der Erde zu vermessen und Modelle der Dunklen Materie zu testen ^[3].
• Quantensimulation: Das Team plant optische Gitter, also Raster aus Laserpunkten, die einen Kristall nachahmen, um Effekte im Zusammenhang mit Hochtemperatursupraleitung zu simulieren ^[2][3].
• Gemischte Atome: Hélène Perrin von der Université Sorbonne Paris Nord wies darauf hin, dass optische Fallen Atome in verschiedenen inneren Zuständen gleichzeitig halten können ^[2].

Weibiao Chen vom Shanghai-Institut sagte gegenüber Science, das Rack sei „offen für die internationale Gemeinschaft“ ^[2]. Keine dieser Anwendungen wurde bislang mit diesem Instrument demonstriert.