سردترین دمای ثبت‌شده: ۱۰ پیکوکلوین در فضا

سردترین دمای ثبت‌شده چقدر است؟

سردترین دمای گزارش‌شده، دمای معادل ۹٫۷ پیکوکلوین است که در ایستگاه فضایی چین به دست آمد و در ۵ نوامبر ۲۰۲۶ در مجله Science منتشر شد ^[1][2]. هر پیکوکلوین یک تریلیونیم کلوین است؛ بنابراین اتم‌ها کمتر از ده تریلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق بودند ^[2].

مقاله پژوهشی با عنوان «Quantum gases below 10 picokelvin in space» از چگالش بوز-اینشتین (BEC) با ۲٫۰ × ۱۰^۴ یعنی ۲۰٬۰۰۰ اتم خبر می‌دهد که با زمان انبساط آزاد ۷٫۰ ثانیه به آن دمای معادل رسید ^[1]. پژوهشگران از اتم‌های روبیدیوم استفاده کردند ^[2][3].

گزارش خبری Science می‌گوید این نتیجه سردترین دمای دست‌یافته‌شده را با ضریب چهار کاهش داده است ^[2]. ارنست راسل (Ernst Rasel)، فیزیک‌دان کوانتومی دانشگاه لایب‌نیتس هانوفر که گروهش رکورد پیشین را در سال ۲۰۲۱ ثبت کرده بود، به Science گفت: «به دانشمندان تبریک می‌گویم. بسیار تحت تأثیر قرار گرفتم» ^[2].

بسیاری از تیترها این رقم را به ۱۰ پیکوکلوین گرد می‌کنند. هر دو عدد در پوشش‌های خبری دیده می‌شود: مقاله می‌گوید کمتر از ۱۰ pK، و گزارشگر Science سرعت نهایی اتم‌ها را معادل حدود ۱۰ pK توصیف می‌کند ^[1][2].

۱۰ پیکوکلوین در مقایسه با فضا چقدر سرد است؟

بسیار سردتر از هر چیزی در طبیعت که اخترشناسان می‌شناسند. فضای خالی پر از تابش زمینه کیهانی است که ناسا آن را حدود ۲٫۷۲۵ کلوین اندازه‌گیری می‌کند ^[5]. با تقسیم ۲٫۷۲۵ K بر ۹٫۷ pK مشخص می‌شود که درخشش زمینه جهان تقریباً ۲۸۰ میلیارد برابر گرم‌تر از اتم‌های تیانگونگ است.

صفر مطلق، یعنی ۰ کلوین، برابر منفی ۲۷۳٫۱۵ درجه سانتی‌گراد یا منفی ۴۵۹٫۶۷ درجه فارنهایت است ^[4]. در این مقیاس‌ها رکورد جدید از صفر مطلق قابل تشخیص نیست و به همین دلیل فیزیک‌دانان از کلوین و زیرمضرب‌های ریز آن استفاده می‌کنند:

• نانوکلوین (nK): یک میلیاردم کلوین. آزمایش‌های نخستین BEC به حدود ۱۰۰ nK رسیدند ^[2].
• پیکوکلوین (pK): یک تریلیونیم کلوین. آزمایش‌های فضایی اکنون در این بازه‌اند ^[1][2].

رسیدن به صفر دقیق ناممکن دانسته می‌شود. سایبال میترا (Saibal Mitra)، فیزیک‌دانی که با Live Science گفت‌وگو کرده، توضیح داد که بر پایه یکی از صورت‌بندی‌های قانون سوم ترمودینامیک، رسیدن به صفر مطلق به شمار بی‌نهایت گام نیاز دارد ^[4].

دانشمندان چگونه به ۱۰ پیکوکلوین رسیدند؟

با به دام انداختن اتم‌های روبیدیوم با لیزر در ریزگرانش، خارج شدن داغ‌ترین اتم‌ها و سپس گسترش آرام اتم‌های باقی‌مانده ^[2][3]. بر پایه روایت Science، مراحل کار چنین بود ^[2]:

1. به دام انداختن: حدود ۲ میلیون اتم روبیدیوم در یک تله نوری درونی به پهنای ۵۴ میکرومتر نگه داشته شد که در محل برخورد دو پرتو لیزر پرشدت شکل می‌گیرد. توان لیزرها ۵ وات بود.
2. تبخیر: توان تا ۰٫۲ میلی‌وات کاهش یافت و اتم‌های پرانرژی‌تر توانستند خارج شوند. ۲۰٬۰۰۰ اتم باقی‌مانده تا ۳ nK سرد شدند.
3. انبساط: اجازه داده شد اتم‌ها در تله‌ای گسترده‌تر به عرض ۱۲۴ میکرومتر پخش شوند؛ این کار شدت برهم‌کنش آن‌ها را کاهش داد. در پایان با سرعتی کمتر از ۱۰۰ میکرومتر بر ثانیه حرکت می‌کردند.

شوزونگ چن (Xuzong Chen) از دانشگاه پکن، دانشمند ارشد این دستگاه، گفت: «تعداد اتم‌ها همان می‌ماند. فقط انرژی برهم‌کنش تغییر می‌کند» ^[2]. مؤسسه اپتیک و مکانیک دقیق شانگهای (Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics) می‌افزاید که سرمایش تبخیری در تله نوری در ریزگرانش کارایی کمتری دارد، به همین دلیل پژوهشگران برای تولید چگالش از یک گرادیان مغناطیسی اضافی کمک گرفتند ^[3].

این دستگاه، قفسه فیزیک اتم سرد (Cold Atom Physics Rack) در ماژول آزمایشگاهی منگ‌تیان (Mengtian) ایستگاه است که در سال ۲۰۲۲ پرتاب شد ^[2][3]. به گفته این مؤسسه، سازندگان آن یک سامانه زمینی حدود ۲۰ متر مکعبی و ۱۰ تنی را به یک دستگاه پروازی حدود ۰٫۷ متر مکعبی و نیم‌تنی کوچک کرده‌اند ^[3].

آیا ۹٫۷ پیکوکلوین دمای واقعی است؟

این یک دمای معادل است که نشان می‌دهد اتم‌ها با چه کندی حرکت می‌کنند و عددی نیست که دماسنج نشان دهد ^[3]. مؤسسه شانگهای اعلام می‌کند عدد ۹٫۷ pK «انبساط بسیار کند اتم‌ها را توصیف می‌کند» و به این معنا نیست که تجهیزات یا محیط پیرامون آن‌ها به همان دما رسیده باشد ^[3].

خود مقاله پژوهشی از عبارت «دمای معادل» استفاده می‌کند ^[1]. دانشمندان این دما را از سرعت پخش شدن ابر رهاشده اتم‌ها برآورد می‌کنند؛ پخش شدن کندتر یعنی انرژی کمتر ^[2][3]. Science سرعت‌های نهایی را کمتر از ۱۰۰ میکرومتر بر ثانیه ذکر می‌کند ^[2]. گزارش Phys.org درباره این مقاله، بازه عدم‌قطعیت ۷٫۰ تا ۱۲٫۹ pK را پیرامون مقدار ۹٫۷ pK نقل می‌کند ^[7].

این تمایز هنگام مقایسه رکوردها اهمیت دارد. رکورد پیشین ۳۸ pK و رقم ۵۲ pK ناسا هم دماهای مؤثری‌اند که از سرعت انبساط ابر استنباط شده‌اند؛ بنابراین مقایسه میان کمیت‌های هم‌نوع است، هرچند روش آزمایش‌ها متفاوت است ^[2][6][7]. مقایسه با دمای یخچال، یک سیاره یا فضای عمیق برای درک مقیاس مفید است، اما فیزیک دقیق نیست.

چرا این رکورد در فضا ثبت شد و نه روی زمین؟

گرانش اتم‌های فوق‌سرد را به پایین می‌کشد و دانشمندان را وادار می‌کند آن‌ها را در تله‌های قوی‌تری نگه دارند که اتم‌ها را گرم‌تر نگه می‌دارد ^[2][3]. Science توضیح می‌دهد که گرانش اتم‌ها را به میدان‌هایی که آن‌ها را معلق نگه داشته‌اند فشار می‌دهد و دمایشان را بالا می‌برد ^[2]. در مدار می‌توان تله را بسیار ضعیف‌تر ساخت و اتم‌ها را مدت طولانی‌تری مشاهده کرد ^[3].

ولفگانگ کتِرله (Wolfgang Ketterle)، فیزیک‌دان MIT و برنده جایزه نوبل ۲۰۰۱، مشاهده هفت‌ثانیه‌ای را چنین توصیف کرد: «روی زمین، حدود ۲۵۰ متر سقوط می‌کرد؛ پس مگر اینکه محفظه خلأیی به ارتفاع ۲۵۰ متر داشته باشید، عملاً به زمین برخورد می‌کرد» ^[3].

تلاش‌های پیشین برای گریز از گرانش شامل رها کردن تراشه‌های اتمی از برج‌ها و پرواز دادن آن‌ها با موشک‌های زیرمداری بود ^[2]. ناسا آزمایشگاه اتم سرد خود را در سال ۲۰۱۸ به ایستگاه فضایی بین‌المللی فرستاد ^[2] و چگالش بوز-اینشتینی که روی ایستگاه تولید شد به دماهای مؤثر تا ۵۲ pK رسید؛ نتیجه‌ای که در سال ۲۰۲۲ در Nature Communications گزارش شد ^[6]. رکورد پیشین، ۳۸ pK با ۲ ثانیه انبساط آزاد، از یک تله مغناطیسی تراشه اتمی در ریزگرانش به دست آمده بود ^[1]؛ Science News آن را آزمایشی در برج سقوط آزاد توصیف می‌کند که در سال ۲۰۲۱ منتشر شد ^[6].

تفاوت دستگاه چینی در این است که به‌جای تله‌های مغناطیسی از تله‌های نوری ساخته‌شده از نور لیزر استفاده می‌کند ^[1][2]. مقاله یادآور می‌شود تله‌های نوری پیش‌تر برای تهیه چنین گازهای کوانتومی در ریزگرانش به کار نرفته بودند ^[1].

چگالش بوز-اینشتین چیست؟

چگالش بوز-اینشتین حالتی از ماده است که در آن اتم‌های بسیار سرد در یک موج کوانتومی واحد گرد هم می‌آیند و به‌صورت جمعی رفتار می‌کنند ^[2][3]. Science آن را به فوتون‌های یک پرتو لیزر تشبیه می‌کند و یادآور می‌شود که اتم‌ها در یک BEC می‌توانند بدون مقاومت جریان یابند و الگوهای تداخلی ایجاد کنند ^[2].

ساتیاندرا ناث بوز (Satyendra Nath Bose) و آلبرت اینشتین (Albert Einstein) چگالش‌ها را در سال ۱۹۲۴ پیش‌بینی کردند؛ دو گروه نخستین بار در سال ۱۹۹۵ آن‌ها را ساختند، یکی با روبیدیوم-۸۷ و دیگری با سدیم-۲۳، کاری که با جایزه نوبل فیزیک ۲۰۰۱ شناخته شد ^[2]. Live Science چگالش را چیزی شبیه رفتار یک اتم واحد توصیف می‌کند ^[4].

چون اثرها در مقیاس‌هایی بسیار بزرگ‌تر از اتم‌های منفرد دیده می‌شوند، BEC به پژوهشگران اجازه می‌دهد رفتار کوانتومی را مستقیم مطالعه کنند ^[3]. برای آشنایی ساده با مفاهیم مرتبط، مطلب «محاسبات کوانتومی برای مبتدیان: چیست و چه نیست» را ببینید. برای خبری علمی دیگر از همین هفته، مطلب «انتشار داده‌های تلسکوپ Euclid: آنچه نقشه جدید ESA نشان می‌دهد» را بخوانید.

اتم‌های فوق‌سرد در فضا چه کاربردهایی می‌توانند داشته باشند؟

عمدتاً اندازه‌گیری دقیق و شبیه‌سازی کوانتومی؛ پژوهشگران و کارشناسان مستقل این‌ها را مسیرهای کارهای آینده توصیف می‌کنند ^[2][3].

• آزمون گرانش: به گزارش Science، زمان‌های طولانی انبساط برای آزمایش‌های تداخل ایده‌آل‌اند که می‌توانند بسنجند آیا گرانش، چنان‌که نسبیت عام فرض می‌کند، بر همه انواع اتم‌ها به یک اندازه اثر می‌گذارد ^[2]. هولگر مولر (Holger Mueller) از UC Berkeley گفت: «عدد ۷ ثانیه شاخص شایستگی مهم‌تری از ۱۰ پیکوکلوین است» ^[2].
• تداخل‌سنج‌های اتمی: راسل به مؤسسه شانگهای گفت که حساسیت آن‌ها با مربع زمانی که اتم‌ها در دستگاه می‌مانند افزایش می‌یابد و چنین ابزارهایی می‌توانند به اندازه‌گیری میدان گرانش زمین و آزمون مدل‌های ماده تاریک کمک کنند ^[3].
• شبیه‌سازی کوانتومی: گروه پژوهشی شبکه‌های نوری، یعنی شبکه‌ای از نقطه‌های لیزری که بلور را تقلید می‌کند، را برای شبیه‌سازی اثرهای مربوط به ابررسانایی دمای بالا برنامه‌ریزی کرده است ^[2][3].
• اتم‌های مخلوط: هلن پرن (Hélène Perrin) از دانشگاه سوربن پاریس نورد (Sorbonne Paris Nord) خاطرنشان کرد که تله‌های نوری می‌توانند اتم‌ها را هم‌زمان در حالت‌های درونی گوناگون نگه دارند ^[2].

وی‌بیائو چن (Weibiao Chen) از مؤسسه شانگهای به Science گفت این قفسه «برای جامعه بین‌المللی باز است» ^[2]. هیچ‌یک از این کاربردها هنوز با این دستگاه نشان داده نشده است.