ثبت یک رکورد دمایی تازه به وسیله دانشمندان: 280 میلیارد بار سردتر از دمای کیهان - اخبار ورزشی

جهان پیرامون ما داغ و پرهیاهوست. حتی تاریک ترین شکاف های میان کهکشان ها نیز با پس تاب پرتوهای باستانی گرم نگه داشته می شوند. اما جاه طلبی انسان مرز متفاوتی را نشانه رفته است. کوشش برای دست یافتن به سردترین دمای جهان نه یک ماجراجویی مهندسی، بلکه میل به کشف همان سکوت غایی طبیعت است؛ نقطه ای که در آن، ثبت یک رکورد دمایی تازه نشان می دهد با آرام گرفتن جنبش اتم ها، ماده از الگوهای پیش بینی پذیر کلاسیک جدا می شود و به قلمرویی مرموز قدم می گذارد که قوانین متداول فیزیک را در برابر چشمان ما بازنویسی می نماید.

دانشمندان در آزمایشی تازه پیروز شدند با ثبت یک رکورد دمایی بی سابقه، گازی از اتم ها را به سردترین دمای جهان برسانند و رکورد قبلی بشر را بشنمایند. این آزمایش نشان داد دمای ماده را می توان تا مقدار ای پایین آورد که 280 میلیارد بار سردتر از دمای کیهان باشد.

مختصر و مفید: سردترین دمای ثبت شده در جهان چگونه به دست آمد؟

فیزیکدانان در ایستگاه فضایی تیانگونگ با ترکیب خنک سازی لیزری و تبخیری روی اتم های روبیدیم در شرایط بی وزنی، دمای معادل 9.7 پیکوکلوین را ثبت کردند. این رکورد با ایجاد گرانش مصنوعی مغناطیسی و رهاسازی بسیار آرام گاز کوانتومی به دست آمد که امکان آنالیز رفتار موجی ماده را بدون دخالت جاذبه زمین فراهم می نماید.

رسیدن به این دمای فوق العاده پایین در ایستگاه فضایی تیانگونگ (Tiangong) رخ داد. فیزیکدانان چینی مستقر در این مدارگرد، ابری از اتم ها را تا 9.7 پیکوکلوین سرد کردند. این عدد در مقیاس اعشاری برابر با 0.0000000000097 کلوین است. پیش از این هیچ آزمایشی در تاریخ علم نتوانسته بود ماده را تا این مقدار به مرز سرمای مطلق نزدیک کند.

خلأ فضا برخلاف تصور عمومی کاملاً سرد و یخ بسته نیست. جهان حدود 13.8 میلیارد سال پیش در وضعیتی بسیار متراکم و داغ پدید آمد و انرژی بازمانده از همان دوران هنوز در سراسر فضا پخش است. این تابش باستانی که آن را تابش زمینه کیهانی (Cosmic Microwave Background) می نامند، دمای میانگین فضا را در حدود 2.7 کلوین یا منفی 270.45 درجه سلسیوس نگه می دارد. دمایی که در آزمایش اخیر به دست آمده، فضای دوردست کیهان را در مقایسه با خود به محیطی گرم شبیه می نماید.

چرا رسیدن به صفر مطلق در قوانین فیزیک غیرممکن است؟

صفر مطلق (Absolute zero) پایین ترین دمای فرضی در فیزیک است. این مرز روی خط دماسنج دقیقاً برابر با صفر کلوین یا منفی 273.15 درجه سلسیوس تعریف می شود. مفهوم فیزیکی دما به مقدار تکان و جنبش ذرات تشکیل دهنده ماده برمی شود. هر چه انرژی گرمایی یک ساختار کمتر باشد، سرعت حرکت درونی اتم ها پایین تر می آید.

در نقطه صفر مطلق، انرژی جنبشی ذرات به کمترین تراز ممکن در مکانیک کوانتومی می رسد و عملاً حرارتی برای خروج باقی نمی ماند. با این حال، قوانین علم ترمودینامیک مانع از لمس کامل این نقطه می شوند.

هر چه سیستم سردتر شود، تخلیه همان به جامانده ناچیز گرما سخت تر می شود. طبق قانون سوم ترمودینامیک، صفر کردن کامل این انرژی به مراحلی بی شمار و کوششی بی سرانجام احتیاج دارد. به همین سبب فیزیکدانان هرگز به نقطه صفر نمی رسند، اما با لیزرها و میدان های مغناطیسی توانسته اند فاصله خود را با آن به کسری از میلیاردم درجه برسانند.

چگالش بوز-اینشتین چیست و چگونه اتم ها را دگرگون می نماید؟

وقتی دمای گازهای رقیق اتمی به مرزهای نهایی سرما کشیده می شود، حالت ماده تغییر می نماید و پدیده ای موسوم به چگالش بوز-اینشتین (Bose-Einstein condensate) رخ می دهد. در دماهای عادی روزمره، اتم ها هویت جداگانه دارند، مدام به اطراف برخورد می نمایند و مانند توپ های کوچک بیلیارد رفتار می نمایند. اما ساتیندرا بوز (Satyendra Nath Bose) و آلبرت اینشتین در دهه 1920 پیش بینی کردند که با سرمای شدید، این ویژگی های جداگانه رنگ می بازد.

امواج کوانتومی مربوط به تک تک اتم ها با پایین آمدن دما کشیده و پهن می شوند تا اینکه با امواج اتم های کناری تداخل پیدا می نمایند. در این لحظه هزاران اتم یکپارچه می شوند و به شکل یک موج واحد عمل می نمایند؛ گویی همه آن ها یک اتم غول پیکر واحد هستند. این رفتار کوانتومی هماهنگ باعث می شود پدیده های بسیار ریز زیراتمی در مقیاسی بزرگ و قابل مقدار گیری با تجهیزات اپتیکی دیده شوند.

چرا فیزیکدانان برای شکستن رکورد سرما به فضا رفتند؟

گرانش زمین یکی از بزرگ ترین موانع در آزمایش های فیزیک کوانتومی است. در محیط آزمایشگاه های زمینی، جاذبه اتم های فوق سرد را به سمت پایین می کشد. این فروافتادن باعث برخورد گاز با بدنه محفظه خلاء می شود و همین تماس ناچیز، گرما فراوری نموده و حالت یکپارچه ماده را سریعاً بر هم می زند.

برای رهایی از این محدودیت، دانشمندان آزمایشگاه خود را به محیط ریزگرانش (Microgravity) در مدار منتقل کردند. پیش از این در سال 2018، محققان ناسا در ایستگاه فضایی بین المللی با سرد کردن ابری از اتم ها تا 100 نانوکلوین، نخستین چگالش مداری را فراوری نموده بودند.

بعلاوه در سال 2021 گروهی از پژوهشگران با پرتاب کپسول آزمایشی در برج سقوط برمن (Bremen Drop Tower) در آلمان رکورد 38 پیکوکلوین را ثبت کردند، هرچند آن آزمایش زمینی تنها چند ثانیه طول کشید. ایستگاه فضایی امکان معلق ماندن پایدار و طولانی مدت را بدون مزاحمت وزن برای فیزیکدانان فراهم آورد.

تکنیک خنک سازی تبخیری چگونه دمای اتم های روبیدیم را شکست؟

تیم پژوهشی دانشگاه پکن و فرهنگستان علوم چین برای این آزمایش از ایزوتوپ روبیدیم-87 استفاده کردند. این ایزوتوپ ساختار ترازهای انرژی بسیار منظمی دارد و برترین بازدهی را هنگام جذب فوتون های لیزر خنک نماینده نشان می دهد. تابش پرتوهای نوری از چند جهت، سرعت اتم ها را بسیار کند کرد و بخش اعظم انرژی آن ها را گرفت.

گام بعدی اجرای روش سردسازی از راه تبخیر ذرات پرانرژی (Evaporative cooling) بود. سازوکار این روش درست مانند خنک شدن چای درون استکان است؛ با پرواز مولکول های پرانرژی به شکل بخار، میانگین انرژی مایع کاهش می یابد.

با این حال، نبود وزن در فضا مانع از خروج خودبه خودی این ذرات سریع می شد. دانشمندان برای حل این مشکل، یک شیب مغناطیسی کنترل شده ایجاد کردند که رفتاری مشابه جاذبه برای اتم ها داشت. به این ترتیب، ذرات پرحرارت بیرون رانده شدند و مجموعه ای شامل 20 هزار اتم بسیار خنک با دمای 3.1 نانوکلوین در دام باقی ماندند.

جنون در آزمایشگاه لیدن؛ وقتی هلندی ها هوا را به زانو درآوردند

در نخستین سال های قرن بیستم، شهری کوچک در هلند بدل به مرکز سرمای جهان شده بود، اما نه به خاطر آب وهوای مه آلودش؛ به خاطر مردی که بوی اتر و صدای گوش خراش پمپ های مکانیکی خواب را از چشم همسایگانش ربوده بود. هایکه کامرلینگ اونس (Heike Kamerlingh Onnes) در آزمایشگاه کریوژنیک دانشگاه لیدن، وسواسی مرگبار داشت: او می خواست هلیوم، آخرین بازمانده سرکش گازهای نجیب را مایع کند. در آن سال ها، نبرد لیدن با آزمایشگاه سلطنتی لندن و شخص جیمز دیوئر شبیه به یک دوئل حیثیتی بود. شیشه های دوجداره، کمپرسورهای دست ساز با بازدهی پایین و لوله های برنجی که هر لحظه زیر فشار هولناک منبسط می شدند و بوی انفجار می دادند.

دستیاران اونس شیفت های بیست ساعته می ایستادند تا جیوه و هیدروژن مایع را قطره قطره در مسیر خنک سازی بچرخانند. در خاطرات یکی از تکنسین های آزمایشگاه آمده بود که در 10 ژوئیه 1908، بعد از ساعت ها خیره شدن به انتهای محفظه شیشه ای تاریک، ناگهان بازتاب نوری دیده شد؛ سطحی کوچک و لرزان از مایعی شفاف پدیدار شده بود که پیش از آن هیچ چشمی در تاریخ زمین ندیده بود. هلیوم مایع با دمای اندکی بیش از 4 کلوین به دنیا آمد. اونس به جای جشن گرفتن، به سمت دفترچه اش رفت و با خطی آرام نوشت: از میان درهای بسته طبیعت، گامی به قلمرویی تازه گذاشتیم.

چند سال بعد، وقتی مقاومت الکتریکی جیوه در همان سرما ناگهان به صفر سقوط کرد و پدیده ابررسانایی کشف شد، فیزیکدانان لیدن حس کردند به دیواری محکم رسیده اند. آن ها تصور می کردند سرد کردن ماده فقط سفت تر کردن سنگ ها و کرخت کردن فلزات است؛ اما طبیعت حقه ای در آستین داشت. هر چه دما پایین تر می رفت، اتم ها به جای آنکه شبیه ساچمه های سربی یخ زده بی حرکت بمانند، خصلت ذره ای خود را محو می کردند. وسواس دست نیافتنی رسیدن به مرز صفر مطلق از همان کارگاه پر از روغن و سیم شروع شد؛ مسیری پرپیچ وخم که نشان داد وقتی جنبش ذرات را بگیرید، جهان نه تنها منجمد و صلب نمی شود، بلکه پرده از رفتارهای موجی، شبح گون و رازآلودی برمی دارد که عقل روزمره هیچ پاسخی برای تبیین آن ندارد.

علت اهمیت دمای معادل در فیزیک ماده چگال چیست؟

دمای 9.7 پیکوکلوین که در مجله ساینس (Science) گزارش شد، نشان دهنده دمای معادل (Equivalent temperature) این توده گازی است. در گازهای کوانتومی رهاشده، این متغیر را از روی سرعت پراکنده شدن ابر اتمی پس از برداشتن تله نوری مقدار می گیرند. هر چقدر اتم ها آرام تر دور شوند، انرژی جنبشی کل کمتر و دما پایین تر ارزیابی می شود.

تیم تحقیقاتی پس از تضعیف آرام دیواره های تله نوری، آن را خاموش کردند و سرعت باز شدن ابر را سنجیدند. کندی حرکت اتم ها به قدری زیاد بود که محققان توانستند رد ذرات را تا 7 ثانیه تمام در فضا زیر نظر بگیرند.

این بازه زمانی بلند یک مزیت کم نظیر در فیزیک تجربی است. وقتی ذرات با چنین تندی ناچیزی در فضا حرکت می نمایند، تجهیزات تداخل سنجی اتمی (Atom interferometry) زمان کافی برای خواندن الگوهای تداخلی و مقدار گیری های حساس فیزیکی را در اختیار خواهند داشت.

سردترین گازهای جهان چه کاربردهایی در آینده دانش فیزیک دارند؟

فرصت طولانی برای آنالیز گازهای کوانتومی پایدار، شرایط را برای آزمودن فرضیه های بنیادی جاذبه فراهم می نماید. یکی از هدف های اساسی این پروژه، آنالیز اصل هم ارزی گرانشی (Equivalence principle) اینشتین است؛ این اصل بیان می نماید همه اجسام در خلأ با شتاب یکسانی تحت تأثیر میدان گرانش سقوط می نمایند. ردیابی حرکت موجی این اتم ها در مدار زمین می تواند کوچک ترین انحراف های احتمالی از نظریه نسبیت عام را با دقتی بی سابقه محک بزند.

این بستر نوری بعلاوه برای ساخت نسل نوینی از حسگرهای گرانشی دقیق، زمان سنج های فوق پایدار و نقشه برداری مداری کاربرد دارد. گازهای بسیار سرد پایدار در فضا، شبیه سازی ساختارهای پیچیده کوانتومی و واکاوی فازهای ناشناخته ماده را برای فیزیکدانان ممکن می سازند.

پیکوکلوین تا چه مقدار از دماهای طبیعی شناخته شده سردتر است؟

فهم دمای 9.7 پیکوکلوین با معیارهای حسی انسان ممکن نیست، چرا که ما معمولاً نوسان های در حد چند درجه را با پوست خود درک می کنیم. برای مقایسه، سردترین نقطه طبیعی ثبت شده در عالم، سحابی بومرنگ (Boomerang Nebula) است که به علت انبساط فوق سریع گازها به دمای حدود 1 کلوین رسیده است.

با این حساب، حتی سردترین محیط طبیعی کیهان، حدود صد میلیارد بار از این توده اتمی ساخت بشر گرم تر است. انسان با بهره گیری از تجهیزات ایستگاه های مداری توانسته محیطی منجمدتر از هر فضای طبیعی موجود در کائنات پدید آورد.

جدول زیر تفاوت شاخص های دمایی میان پدیده های طبیعی و آزمایش های فیزیک را نشان می دهد:

منبع: Science