سردترین مواد زمین در قطب جنوب نیستند.
در بالای قله اورست هم نیستند
در یخچالهای طبیعی هم مدفون نشدهاند.
آنها در آزمایشگاههای فیزیک هستند:
ابرهایی از گاز که تنها کسری از درجه بالاتر از صفر مطلق هستند.
یعنی ۳۹۵ میلیون بار سردتر از یخچال شما،
۱۰۰ میلیون بار سردتر از نیتروژن مایع،
و ۴ میلیون بار سردتر از فضای بیرونی.
دماهای چنین پایین برای دانشمندان پنجرهای به فعالیتهای درونی ماده باز میکند،
و به مهندسان اجازه میدهد ابزارهایی بسیار حساس بسازند
که درباره همه چیز بیشتر به ما میگویند
از جایگاه دقیق ما در سیاره
تا اتفاقاتی که در دوردستهای جهان رخ میدهد.
چطور چنین دماهای پایینی را ایجاد میکنیم؟
به طور خلاصه، با کم کردن سرعت ذرات متحرک.
وقتی از دما میگوییم در واقع درباره حرکت حرف میزنیم.
اتمهایی که جامد
مایع،
و گازها را میسازند
همواره در حرکت هستند.
وقتی اتمها تندتر حرکت کنند ما ماده را داغ میپنداریم.
وقتی آهستهتر حرکت کنند میگوییم ماده سرد است.
برای سرد کردن یک جسم یا گاز داغ در زندگی روزمره،
آن را در محیطی سردتر مانند یخچال قرار میدهیم.
بعضی از تحرکات اتمی در جسم داغ به پیرامون منتقل میشود،
و جسم خنک میشود.
اما حدی برای آن هست:
حتی فضای بیرونی هم گرمتر از آن است که دماهای فراسرد را ایجاد کند.
پس در عوض، دانشمندان راهی برای کند کردن مستقیم اتمها پیدا کردند --
با یک پرتو لیزر.
در اکثر شرایط،
انرژی یک پرتو لیزر چیزها را گرم میکند.
اما با استفاده از آن به روشی خیلی دقیق،
تکانه پرتو میتواند اتمهای متحرک را از حرکت بازداشته، آنها را خنک کند.
این اتفاقی است که در دستگاهی به نام تله نوری مغناطیسی رخ میدهد.
اتمها به محفظهای خلا تزریق میشوند،
و یک میدان مغناطیسی آنها را به مرکز میکشاند.
یک پرتو لیزر به مرکز محفظه هدف گرفته میشود
که دقیقا روی فرکانس درست تنظیم شده است
که اتمی که به سمتش میرود یک فوتون از پرتو لیزر را جذب کرده و کند میشود.
اثر آهسته شدن از انتقال تکانه
بین اتم و فوتون نشات میگیرد.
در مجموع شش پرتو، در چیدمانی عمودی،
تضمین میکنند که اتمها در هر جهتی که حرکت کنند متوقف خواهند شد.
در مرکز، جایی که پرتوها یکدیگر را قطع میکنند،
اتمها چنان آهسته حرکت میکنند که انگار در مایعی غلیظ گرفتار شدهاند --
اثری که دانشمندانی که آن را اختراع کردهاند «شیره نوری» مینامند.
یک تله نوری مغناطیسی مثل این
میتواند اتمها را تا فقط چند میکروکلوین سرد کند --
حدود ۲۷۳- درجه سلسیوس.
این روش در دهه ۸۰ میلادی توسعه یافت،
و دانشمندانی که در آن مشارکت داشتند
جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۹۷ را به خاطر کشفشان برنده شدند.
از آن زمان، سرد کردن با لیزر پیشرفت کرده تا دماهای حتی پایینتر را ممکن کند.
اما چرا باید بخواهید اتمها را تا این درجه سرد کنید؟
اول از همه، اتمهای سرد آشکارسازهای خیلی خوبی هستند.
با انرژی بسیار کم،
به طرز باور نکردنی به نوسانات اطراف حساس هستند.
پس از آنها در دستگاههایی که نفت زیرزمینی و ذخایر معدنی را کشف میکنند استفاده میشود،
آنها همچنین ساعتهای اتمی بسیار دقیق میسازند،
مثل آن که در ماهواره موقعیتیاب جهانی استفاده شده است.
دوم اینکه، اتمهای سرد پتانسیل خیلی زیادی
در کاوش مرزهای فیزیک دارند.
حساسیت بسیار زیاد، آنها را به گزینههایی
برای استفاده در آشکارسازی امواج گرانشی در آشکارسازهای فضایی آینده بدل کرده است.
آنها همچنین برای مطالعه پدیدههای اتمی و زیراتمی مفید هستند،
که به اندازهگیری نوسانات اندک انرژی اتمها نیاز دارد.
آنها در دماهای معمولی غرق میشوند،
وقتی اتمها با سرعت صدها متر بر ثانیه به اطراف حرکت میکنند.
سرد کردن لیزری میتواند اتمها را تا تنها چند سانتیمتر بر ثانیه کُند کند --
که برای آشکار شدن حرکت ناشی از اثرات کوانتومی اتم کافی است.
اتمهای فراسرد تا کنون این امکان را به دانشمندان دادهاند
تا پدیدههایی مانند چگالش بوز-انیشتین را مطالعه کنند،
که در آن اتمها تا حدود صفر مطلق سرد میشوند
و به حالت نادر جدیدی از ماده تبدیل میشوند.
پس دانشمندان که برای درک قوانین فیزیک
و پرده برداشتن از اسرار کائنات به راهشان ادامه میدهند،
این کار را با کمک سردترین اتمها انجام میدهند.