Ученые зафиксировали температуру в 280 млрд раз ниже, чем температура Вселенной

Фото из открытых источников

Даже кажущийся пустым вакуум космического пространства не совсем холоден. Вселенная зародилась около 13,8 миллиардов лет назад в состоянии такой высокой температуры и плотности, что остаточное излучение до сих пор пронизывает каждый её уголок.

Средняя фоновая температура в космосе колеблется около 2,7 кельвинов – это -270,45 градусов Цельсия. Теперь учёные создали объект с температурой, в 280 миллиардов раз ниже, — побив предыдущий рекорд в стремлении человечества приблизиться к абсолютному нулю как можно ближе.

На борту китайской космической станции «Тяньгун» на околоземной орбите физики достигли рекордной эквивалентной температуры всего в 9,7 пикокельвинов – или 0,0000000000097 кельвинов – «что, насколько нам известно, является самой низкой эквивалентной температурой, когда-либо измеренной», – пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Science.

Абсолютный ноль — или ноль кельвинов — это теоретический нижний предел температуры, которого может достичь Вселенная. В этот момент тепловая энергия физически не может опуститься ниже. Это как скорость света — фундаментальный предел, который законы физики просто не могут преодолеть.

Однако, в отличие от скорости света, достичь абсолютного нуля невозможно. Чем ближе к нему приближаются ученые, тем сложнее становится отвести оставшуюся тепловую энергию, пока достижение предела не потребует процесса охлаждения, который никогда не сможет быть завершен.

Но это не остановило физиков от попыток – и чем ближе они подходят к цели, тем более странное поведение начинает проявлять материя.

Одним из лучших примеров является бозе-эйнштейновский конденсат — экзотическое состояние материи, которое образуется при охлаждении определенных атомов до температур, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль.

В этих крайних случаях атомы начинают вести себя коллективно, их индивидуальные квантовые состояния сливаются в единое, согласованное целое. Они перестают действовать как совокупность отдельных частиц и вместо этого функционируют почти как один огромный квантовый объект.

Поскольку квантовые эффекты обычно наиболее очевидны на атомном уровне, конденсаты Бозе-Эйнштейна позволяют ученым изучать квантовое поведение в гораздо большем масштабе, а не пытаться наблюдать его в отдельных атомах.

Их также можно использовать для проведения чрезвычайно точных измерений физического мира, что потенциально может помочь ученым исследовать некоторые из фундаментальных законов, управляющих Вселенной.

Однако создание бозе-эйнштейновских конденсатов — непростая задача, и здесь, на Земле, этот процесс сталкивается с непреодолимым ограничением — гравитацией, которая делает охлаждение атомов до таких экстремальных температур всё более сложным.

Поэтому исследователи перенесли свой эксперимент в место, где гравитация представляла бы гораздо меньшую проблему: в космос.

Они не первые. В 2018 году НАСА создало первый бозе-эйнштейновский конденсат на орбите на борту Международной космической станции, охладив облако атомов рубидия до 100 нанокельвинов.

С тех пор другие исследователи раздвинули границы возможного, и предыдущий рекорд в 38 пикокельвинов был установлен во время эксперимента по свободному падению на Бременской башне свободного падения в Германии, описание которого приведено в статье 2021 года.

В новом эксперименте, проведенном физиками Сяоцзи Чжоу и Сюцзун Чэнем из Пекинского университета, а также Вэйбяо Чэнем из Китайской академии наук, были использованы возможности длительной микрогравитации для дальнейшего расширения пределов охлаждения.

Как и многие до них, исследователи начали с облака атомов рубидия-87 — изотопа этого элемента, особенно хорошо подходящего для лазерного охлаждения и создания бозе-эйнштейновских конденсатов.

Они использовали лазеры для охлаждения атомов, заключенных в оптическую ловушку в установке, называемой «Стойка для физики холодных атомов».

Затем они применили метод, называемый испарительным охлаждением, при котором наиболее энергичные атомы улетучиваются, оставляя оставшиеся атомы с меньшей энергией. Это похоже на то, как ваш кофе остывает, поскольку его наиболее энергичные молекулы улетучиваются в виде пара.

Однако здесь гравитация снова решила создать проблему. На Земле гравитация может помочь этому процессу, притягивая улетающие атомы от ловушки. На орбите, где все находится в непрерывном свободном падении, такой помощи нет.

Итак, отправившись в космос, чтобы избавиться от гравитации, исследователям нужно было найти способ воссоздать гравитацию.

Они добились этого, создав градиент магнитного поля, имитирующий воздействие гравитации на атомы, что позволило наиболее энергичным из них более эффективно покидать пространство.

На этом этапе эксперимент содержал бозе-эйнштейновский конденсат, состоящий примерно из 20 000 атомов рубидия, охлажденный до температуры всего 3,1 нанокельвина.

Но на этом исследования не закончились.

Они перенесли конденсат во вторую, более широкую ловушку, созданную с помощью лазерного излучения, а затем постепенно ослабили ловушку, позволяя облаку атомов расширяться и уменьшая энергию, которую оно будет высвобождать по мере расширения.

Наконец, они полностью выключили ловушку и наблюдали, как облако рассеивается.

Расширяясь настолько медленно, исследователи смогли обнаружить атомы даже спустя семь секунд после их высвобождения.

Измерив скорость распространения облака, команда рассчитала его эквивалентную температуру: рекордные 9,7 пикокельвинов.

Это не совсем то же самое, что обычная температура. Эквивалентная температура описывает энергию, связанную с расширением облака. Она измеряет скорость движения атомов, использует это движение для определения количества энергии, которой они обладают, и выражает эту энергию в кельвинах.

Для ученых, надеющихся использовать эти облака атомов для проведения чрезвычайно точных измерений, это различие имеет важное значение. Чем медленнее рассеиваются атомы, тем дольше их можно наблюдать и манипулировать ими, и тем чувствительнее могут стать эти измерения.

Дело не только в установлении температурных рекордов. Полученные результаты имеют и весьма интересные перспективы для будущих исследований.

Одним из особенно перспективных применений является атомная интерферометрия, которая использует волновые свойства атомов для измерения чрезвычайно малых изменений в их окружении.

Имея больше времени для наблюдения за атомами, ученые могли бы создать более чувствительные приборы для проверки фундаментальных физических принципов, включая принцип эквивалентности — идею о том, что гравитация одинаково воздействует на все объекты, независимо от их массы или состава.

Возможность получения таких сверххолодных квантовых газов в космосе также позволит исследователям изучать экзотические состояния материи, которые трудно изучать в лабораториях на Земле.

«Эта полностью оптическая сверххолодная платформа… отвечает самым строгим требованиям квантового моделирования и прецизионной метрологии в будущих космических миссиях, что позволяет ей продвигать два основных научных направления», — пишут исследователи.