Dünyadaki en soğuk maddeler Antarktika'da değil.
Everest Dağı'nın tepesinde
ya da bir buz dağında gömülü de değil.
Onlar fizik laboratuvarlarında:
Litrelerce gaz mutlak sıfırın sadece birkaç derece üstünde tutuluyor.
Bu buzdolabınızdan 395 milyon kat,
sıvı nitrojenden 100 milyon kat
ve uzay boşluğundan 4 milyon kat daha soğuk.
Bu denli soğuk dereceler bilim insanlarına maddenin
iç yapısına bir göz atma şansı ve mühendislere de gezegende
tam olarak bulunduğumuz yerden uzay derinliklerinde neler olduğuna kadar
her şey hakkında bilgi veren hassas aletler yapma olanağı sunuyor.
Peki bu kadar düşük sıcaklıklara nasıl ulaşıyoruz?
Kısaca, hareketli parçacıkları yavaşlatarak.
Sıcaklık hakkında konuştuğumuzda aslında hareket hakkında konuşuyoruz.
Katı, sıvı
ve gazları oluşturan
atomlar hareket hâlindedir.
Atomlar hızlandığında maddeyi sıcak olarak algılarız.
Yavaş hareket ettiklerinde ise soğuk olarak algılarız.
Günlük hayatta sıcak bir maddeyi ya da gazı soğutmak için
onu soğuk bir ortama koyarız; mesela bir buzdolabına.
Böylece sıcak objedeki atomik hareketin bir kısmı çevreye dağılır
ve sıcak olan madde soğur.
Ama bunun bir sınırı var:
Dış uzay bile maddeleri çok soğutmak için fazla sıcak.
Bu yüzden bilim insanları atomları doğrudan
yavaşlatmak için bir yöntem geliştirdi: Lazer ışını.
Genelde lazer ışının
enerjisi nesneleri ısıtır.
Fakat özel bir şekilde kullanılarak ışının momentumu
hareketli atomları yavaşlatıp soğutur.
''Manyetik-optik tuzak''ın içinde olanlar bundan ibaret.
Atomlar bir vakum odasına yerleştirilir
ve bir manyetik alan onları merkeze doğru çeker.
Odanın merkezine tam doğru frekansa
ayarlanmış bir lazer ışını tutulur ve merkeze
yaklaşan bir atom lazer ışınının bir fotonunu yakalayıp yavaşlar.
Bu yavaşlama etkisi atom ve foton arasındaki
momentum alışverişinden kaynaklanır.
Birbirine dik yerleştirilmiş altı ışın
her yönden gelen atomun bu olaydan etkilenmesini sağlar.
Merkezde, ışınların kesiştiği yerde, atomlar
yoğun bir sıvıda takılmış gibi ağır ağır hareket eder—
bu etkiyi keşfeden insanlarının deyimiyle ''optik melas''.
Böyle bir manyetik-optik tuzak, atomları
birkaç mikrokelvine kadar soğutabilir,
yaklaşık -273 Santigrat derece.
Bu yöntem 1980'lerde geliştirilmiş
ve bu yöntemin keşfedilmesini sağlayan bilim insanları
1997'de Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmüştür.
O zamandan beri lazer soğutma işlemi
daha düşük sıcaklıklara inebilecek kadar gelişmiştir.
Peki neden atomları bu kadar soğutmak isteyesiniz?
Öncelikle soğuk atomlar iyi birer dedektördür.
Küçük enerjileriyle, değişen çevre
koşullarına fazlasıyla duyarlıdırlar.
Bu yüzden yeraltı petrol ve mineral kaynaklarını arayan makinelerde
ve GPS uydularında bulunan
yüksek doğruluk oranına sahip atomik saatlerde kullanılırlar.
Ayrıca soğuk atomlar fiziğin sınırlarını
derinlemesine araştırmak için yüksek bir potansiyele sahip.
Aşırı hassas olduklarından gelecekte yer çekimsel dalgaları algılayan
uzay dedektörlerinde kullanılabilirler.
Ayrıca çok küçük atomik enerji değişimlerini ölçmeyi gerektiren
atom ve atom-altı parçacık bilimi çalışmalarında da kullanılırlar.
Atomlar yüzlerce m/sn hızla ilerlediklerinde
bunlar normal sıcaklıklarda bastırılır.
Lazer soğutma ile atomlar sadece birkaç cm/sn hızına kadar yavaşlatılabilir—
kuantum etkilerinin sebep olduğu hareket gözle görülür hâle gelir.
Aşırı soğuk atomlar şimdiden Bose-Einstein yoğunlaşması gibi
olguları araştırmayı kolaylaştırdı.
Bu deneyde atomlar neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutulur
ve maddenin nadir, yeni bir hâlini oluşturur.
Sonuç olarak bilim insanları hâlâ fizik yasalarını anlama
ve evrenin sırlarını açığa çıkarma çabaları devam ederken
içlerindeki bu "buz gibi soğuk" atomlardan yardım alıyorlar.