Самая низкая температура в мире: 10 пикокельвинов

Какая самая низкая температура в мире зафиксирована?

Самая низкая температура в мире, о которой сообщалось, — эквивалентная температура 9,7 пикокельвина, полученная на борту китайской космической станции и опубликованная в журнале Science 5 ноября 2026 года ^[1][2]. Пикокельвин — это одна триллионная кельвина, поэтому атомы были холоднее абсолютного нуля менее чем на десять триллионных долей градуса ^[2].

В научной статье «Quantum gases below 10 picokelvin in space» сообщается о конденсате Бозе — Эйнштейна (КБЭ) из 2,0 × 10^4, то есть 20000 атомов, который достиг этой эквивалентной температуры при времени свободного расширения 7,0 секунды ^[1]. Исследователи использовали атомы рубидия ^[2][3].

В новостном материале Science говорится, что результат снизил самую низкую достигнутую температуру в четыре раза ^[2]. Эрнст Расель, физик-квантовик из Ганноверского университета имени Лейбница, чья команда установила предыдущий рекорд в 2021 году, сказал Science: «Поздравляю учёных. Я очень впечатлён» ^[2].

Во многих заголовках цифру округляют до 10 пикокельвинов. В публикациях встречаются оба значения: в статье указано «ниже 10 пК», а корреспондент Science описывает конечные скорости атомов как соответствующие примерно 10 пК ^[1][2].

Насколько холодны 10 пикокельвинов по сравнению с космосом?

Намного холоднее всего, что известно астрономам в природе. Космос заполнен реликтовым микроволновым излучением, которое NASA оценивает примерно в 2,725 кельвина ^[5]. Если разделить 2,725 К на 9,7 пК, получится, что фоновое свечение Вселенной примерно в 280 млрд раз теплее атомов на станции «Тяньгун».

Абсолютный нуль, 0 кельвинов, равен минус 273,15 °C, или минус 459,67 °F ^[4]. По этим шкалам новый рекорд неотличим от абсолютного нуля, поэтому физики пользуются кельвином и его малыми долями:

• Нанокельвин (нК): одна миллиардная кельвина. Первые эксперименты с КБЭ достигали около 100 нК ^[2].
• Пикокельвин (пК): одна триллионная кельвина. Космические эксперименты сейчас находятся в этом диапазоне ^[1][2].

Достичь именно нуля, как считается, невозможно. Согласно одной из формулировок третьего закона термодинамики, для достижения абсолютного нуля потребовалось бы бесконечное число шагов, пояснил физик Сайбал Митра в интервью Live Science ^[4].

Как учёные получили 10 пикокельвинов?

Они удерживали атомы рубидия лазерами в условиях микрогравитации, давали самым горячим атомам уйти, а остальным — плавно разлететься ^[2][3]. По описанию Science, этапы были такими ^[2]:

1. Захват: около 2 миллионов атомов рубидия удерживались во внутренней оптической ловушке шириной 54 микрометра, образованной в месте пересечения двух мощных лазерных лучей. Лазеры работали на мощности 5 ватт.
2. Испарение: мощность плавно снизили до 0,2 милливатта, позволив более энергичным атомам вылететь. Оставшиеся 20000 атомов остыли до 3 нК.
3. Расширение: атомам позволили распространиться в более широкую ловушку диаметром 124 микрометра, что ослабило их взаимодействие. В итоге они двигались со скоростью менее 100 микрометров в секунду.

«Число атомов остаётся прежним. Меняется только энергия взаимодействия», — сказал Сюйцзун Чэнь из Пекинского университета, главный научный сотрудник прибора ^[2]. Шанхайский институт оптики и точной механики добавляет, что испарительное охлаждение в оптической ловушке в условиях микрогравитации работает хуже, поэтому команда применила дополнительный магнитный градиент, чтобы получить конденсат ^[3].

Прибор — это стойка холодной атомной физики (Cold Atom Physics Rack) в лабораторном модуле станции «Мэнтянь», запущенном в 2022 году ^[2][3]. По данным института, разработчики уменьшили наземную установку объёмом около 20 кубических метров и массой 10 тонн до лётного прибора объёмом около 0,7 кубического метра и массой в полтонны ^[3].

Реальная ли это температура — 9,7 пикокельвина?

Это эквивалентная температура, которая описывает, насколько медленно движутся атомы, а не показание термометра ^[3]. Шанхайский институт подчёркивает, что значение 9,7 пК «характеризует крайне медленное расширение атомов» и не означает, что оборудование или его окружение достигли такой же температуры ^[3].

В самой научной статье используется выражение «эквивалентная температура» ^[1]. Учёные оценивают её по тому, как быстро расширяется выпущенное облако атомов: чем медленнее оно расширяется, тем ниже энергия ^[2][3]. Science приводит конечные скорости менее 100 микрометров в секунду ^[2]. В материале Phys.org об этой статье указан диапазон погрешности от 7,0 до 12,9 пК вокруг значения 9,7 пК ^[7].

Это различие важно при сравнении рекордов. Прежний рекорд в 38 пК и 52 пК от NASA — тоже эффективные температуры, вычисленные по скорости расширения облака, так что сравниваются однородные величины, хотя методы экспериментов различаются ^[2][6][7]. Сравнения с температурой холодильника, планеты или глубокого космоса полезны для масштаба, но не являются точной физикой.

Почему рекорд поставили в космосе, а не на Земле?

Гравитация тянет сверххолодные атомы вниз, поэтому учёным приходится удерживать их в более сильных ловушках, из-за чего они остаются теплее ^[2][3]. Science объясняет, что гравитация прижимает атомы к полям, которые их удерживают, и это повышает их температуру ^[2]. На орбите ловушку можно сделать гораздо слабее, а за атомами — наблюдать дольше ^[3].

Физик из MIT Вольфганг Кеттерле, лауреат Нобелевской премии 2001 года, так оценил семисекундное наблюдение: «На Земле оно упало бы примерно на 250 метров, то есть оно просто разбилось бы о землю, если только у вас нет вакуумной камеры высотой 250 метров» ^[3].

Среди прежних попыток избавиться от гравитации были сбрасывание атомных чипов с башен и запуск их на суборбитальных ракетах ^[2]. NASA отправило свою Лабораторию холодных атомов на Международную космическую станцию в 2018 году ^[2], а конденсат Бозе — Эйнштейна, полученный на станции, достиг эффективных температур до 52 пК, о чём сообщила Nature Communications в 2022 году ^[6]. Прежний рекорд, 38 пК при 2 секундах свободного расширения, получен в магнитной ловушке на атомном чипе в условиях микрогравитации ^[1]; Science News описывает его как эксперимент на башне сбрасывания, опубликованный в 2021 году ^[6].

Китайский прибор отличается тем, что использует оптические ловушки, созданные лазерным светом, а не магнитные ^[1][2]. В статье отмечается, что оптические ловушки прежде не применялись для получения таких квантовых газов в условиях микрогравитации ^[1].

Что такое конденсат Бозе — Эйнштейна?

Конденсат Бозе — Эйнштейна — это состояние вещества, в котором очень холодные атомы собираются в единую квантовую волну и ведут себя согласованно ^[2][3]. Science сравнивает его с фотонами в лазерном луче и отмечает, что атомы в КБЭ могут течь без сопротивления и создавать интерференционные картины ^[2].

Шатьендранат Бозе и Альберт Эйнштейн предсказали конденсаты в 1924 году; две команды впервые получили их в 1995 году, одна — на рубидии-87, другая — на натрии-23, и эта работа отмечена Нобелевской премией по физике 2001 года ^[2]. Live Science описывает конденсат как систему, ведущую себя подобно единому атому ^[4].

Поскольку эффекты видны на масштабах, намного превышающих размер отдельных атомов, КБЭ позволяют исследователям напрямую изучать квантовое поведение ^[3]. Для знакомства с родственными идеями, доступного новичку, см. Quantum Computing Explained for Beginners: What It Is and What It Is Not. Ещё одну космическую научную новость этой недели см. в материале Euclid Telescope Data Release: What ESA's New Map Shows.

Для чего можно использовать сверххолодные атомы в космосе?

В основном для точных измерений и квантового моделирования; исследователи и независимые эксперты называют это направлениями будущей работы ^[2][3].

• Проверка гравитации: большое время расширения идеально подходит для интерференционных экспериментов, которые могли бы проверить, одинаково ли гравитация действует на все типы атомов, как предполагает общая теория относительности, сообщает Science ^[2]. «7 секунд — ещё более важный показатель качества, чем 10 пикокельвинов», — сказал Хольгер Мюллер из Калифорнийского университета в Беркли ^[2].
• Атомные интерферометры: Расель сообщил Шанхайскому институту, что их чувствительность растёт пропорционально квадрату времени, которое атомы проводят в приборе, и что такие инструменты могли бы помочь измерять гравитационное поле Земли и проверять модели тёмной материи ^[3].
• Квантовое моделирование: команда планирует использовать оптические решётки — сетки из лазерных пятен, имитирующие кристалл, — чтобы моделировать эффекты, связанные с высокотемпературной сверхпроводимостью ^[2][3].
• Смешанные атомы: Элен Перрен из Университета Сорбонна — Северный Париж отметила, что оптические ловушки могут одновременно удерживать атомы в разных внутренних состояниях ^[2].

Вэйбяо Чэнь из Шанхайского института сказал Science, что стойка «открыта для международного сообщества» ^[2]. Ни одно из этих применений на данном приборе пока не продемонстрировано.