Najhladnejše snovi na svetu niso na Antarktiki.
Niso na vrhu Mont Everesta
ali zakopane v ledenik.
So v fizikalnih laboratorijih:
so oblaki plinov, ki jih ohranjajo le delček stopinje nad absolutno ničlo.
To je 395-milijonkrat hladneje kot vaš hladilnik,
100-milijonkrat hladneje kot tekoči dušik
in 4-milijonkrat hladneje kot vesolje.
Tako nizke temperature dajo znanstvenikom vpogled v notranje delovanje snovi
in omogočijo inženirjem, da sestavijo izjemno občutljive instrumente,
ki nam povedo več o vsem
od našega točnega položaja na planetu
do tega, kaj se dogaja v najbolj oddaljenih kotičkih vesolja.
Kako pa ustvarimo tako ekstremne temperature?
Na kratko, tako da upočasnimo premikajoče se delce.
Ko govorimo o temperaturi, v resnici govorimo o gibanju.
Atomi, ki so gradniki trdnih snovi, tekočin in plinov
se nenehno premikajo.
Ko se atomi snovi premikajo hitreje, dojemamo snov kot vročo.
Ko se premikajo počasneje, jo dojemamo kot hladno.
Da ohladimo vroč predmet ali plin v vsakdanjem življenju,
ga postavimo v hladnejše okolje, na primer v hladilnik.
Nekaj gibanja atomov v vročem predmetu se prenese v okolje
in predmet se ohladi.
Ampak pri tem obstaja omejitev.
Celo vesolje je pretoplo, da bi ustvarilo ultra nizke temperature.
Namesto tega so se znanstveniki spomnili načina, da atome upočasnijo neposredno -
z laserskim žarkom.
Pod običajnimi pogoji
energija v laserskem žarku stvari segreje.
Ampak če jo uporabimo zelo natančno,
lahko žarkova gibalna količina ovira premikajoče se atome in jih ohlaja.
To se zgodi v napravi, ki ji rečemo magnetno-optična past.
Atomi so vstavljeni v vakuumsko komoro,
kjer jih magnetno polje vleče proti središču.
Laserski žarek, namerjen v sredo komore,
je nastavljen na ravno pravo frekvenco,
da bo atom, ki se premika proti njemu, iz žarka absorbiral foton in se upočasnil.
Učinek upočasnitve izhaja iz prenosa gibalne količine
med atomom in fotonom.
Šest žarkov, razporejenih pravokotno,
poskrbi, da bodo prestreženi atomi, ko potujejo v kateri koli smeri.
V središču, kjer se žarki stikajo,
se atomi premikajo počasi, kot da bi bili ujeti v gosto tekočino.
To je učinek, ki so ga njegovi izumitelji opisali kot "optična melasa".
Takšnale magnetno-optična past
lahko ohladi atome na samo nekaj mikrokelvinov:
to je približno -273 stopinj Celzija.
To tehniko so razvili v osemdesetih
in znanstveniki, ki so pri projektu pomagali,
so za svoje odkritje dobili leta 1997 Nobelovo nagrado za fiziko.
Od takrat so lasersko hlajenje izboljšali, da zdaj dosegajo še nižje temperature.
Ampak zakaj bi sploh želeli atome tako zelo ohladiti?
Prvič, hladni atomi zelo dobro zaznavajo.
S tako malo energije
so izredno občutljivi na nihanja v okolju.
Uporabljajo se torej v napravah, ki iščejo podzemna nahajališča nafte in mineralov,
in pa tudi v izjemno natančnih atomskih urah,
kot tistih, ki jih najdemo v GPS satelitih.
Drugič, hladni atomi imajo izreden potencial
za preizkušanje meja fizike.
Zaradi izredne občutljivosti se lahko uporabljajo
za zaznavanje gravitacijskih valov v prihodnjih detektorjih v vesolju.
Ravno tako so uporabni za preučevanje atomskih in subatomskih pojavov,
kar zahteva merjenje izjemno majhnih nihanj v energiji atomov.
Ta se spregledajo pri normalni temperaturi atomov,
ko atomi brzijo naokrog s hitrostjo več sto metrov na sekundo.
Lasersko hlajenje lahko atome upočasni do le nekaj centimetrov na sekundo -
dovolj, da postane očitno tisto gibanje, ki ga povzročijo atomski kvantni efekti.
Ultrahladni atomi so znanstvenikom že omogočili študij pojavov,
kot je Bose-Einsteinovo kondenzacija,
v kateri se atomi ohladijo skoraj do absolutne ničle
in zavzamejo redko novo agregatno stanje.
Medtem, ko se raziskovalci trudijo,
da bi razumeli fizikalne zakone in razkrili skrivnosti vesolja,
jim bodo pri tem pomagali najhladnejši atomi, ki v vesolju obstajajo.