Chińscy badacze schłodzili materię na stacji Tiangong niemal do zera absolutnego

Świat nauki kolejny raz pokazuje, że wciąż zostało nam wiele do zbadania i odkrycia. Tym razem przedmiotem zainteresowania badaczy stało się ekstremalne zimno - temperatura zbliżona do granicy zera absolutnego.

Nowy rekord zimna osiągnięty na orbicie

W ostatnich tygodniach wielokrotnie przesuwano granice tego, co do tej pory wydawało się w fizyce niepodważalne. Badacze dostarczają coraz to nowych doniesień, które każą na nowo spojrzeć na znane prawa i teorie uznawane dotąd za niezmienne. Tym razem w centrum uwagi znalazło się zimno - a dokładniej to, jak blisko granicy zera absolutnego potrafimy się zbliżyć. Kosmiczna próżnia utrzymuje temperaturę rzędu 2,7 kelwina, będącą pozostałością promieniowania reliktowego po Wielkim Wybuchu, jednak prawdziwie najzimniejsze miejsca we wszechświecie nie leżą w dalekich mgławicach, lecz powstają w laboratoriach stworzonych przez człowieka. Najświeższe doniesienie napłynęło od chińskiego zespołu badawczego, który poinformował o schłodzeniu materii do około pikokelwinów - czyli dziesięciu bilionowych części kelwina ponad zerem bezwzględnym wynoszącym −273,15°C. Taki wynik udało się uzyskać na pokładzie stacji orbitalnej Tiangong.

Warto na chwilę cofnąć się do podstaw fizyki i wyjaśnić, czym właściwie są odczuwane przez nas ciepło i zimno. W uproszczeniu chodzi o energię kinetyczną powstającą w wyniku zderzeń cząsteczek, które poruszają się wokół nas z określoną prędkością. Im niższa temperatura, tym wolniej poruszają się te cząsteczki. Teoretyczne odebranie im całej energii kinetycznej oznaczałoby dotarcie do zera absolutnego, czyli stanu, w którym ruch materii zanika całkowicie. Właśnie dlatego w nauce stosuje się skalę Kelvina - pokazuje ona wprost wielkość tej energii względem punktu zerowego, gdzie nie występuje już żaden ruch ani ciepło.

W tak ekstremalnych warunkach pojawia się niezwykły stan materii zwany kondensatem Bosego-Einsteina. Pojedyncze atomy tracą wówczas swoją odrębność, a ich funkcje falowe zaczynają się na siebie nakładać. Skutkiem tego jest zachowanie się całej chmury atomów jak jednego wielkiego "superatomu", podlegającego bezpośrednio prawom mechaniki kwantowej.

Skąd pomysł, by taki eksperyment przeprowadzać akurat w kosmosie? Owszem, naukowcy na Ziemi również próbują osiągać skrajnie niskie temperatury, jednak napotykają przy tym poważne trudności. Największą przeszkodą jest ziemska grawitacja, przez którą chmura gazu opada na dno komory próżniowej i ulega zniekształceniom, co uniemożliwia jej swobodne, powolne rozszerzanie się bez kontaktu ze ściankami urządzenia. Naukowcy próbowali już różnych metod obejścia tego problemu, między innymi korzystając z tzw. wież zrzutowych - eksperyment zrzucano wtedy w głębokim szybie, zyskując kilka sekund stanu nieważkości, co pozwoliło osiągnąć 38 pikokelwinów. Podobny eksperyment, Cold Atom Lab, przeprowadzony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), pozwolił zejść do poziomu 52 pikokelwinów.

Przestrzeń kosmiczna ma tę zaletę, że zapewnia stały stan swobodnego spadku w warunkach mikrograwitacji. Dzięki temu naukowcy mogą obserwować rozszerzającą się chmurę kwantową przez znacznie dłuższy czas, bez pośpiechu i bez zakłóceń wywołanych przez grawitację - dokładnie tak długo, jak jest to potrzebne. Pozostaje jednak pytanie zasadnicze: po co w ogóle dążyć do osiągania tak ekstremalnie niskich temperatur? Z pozoru może się to wydawać kosztownym i niepraktycznym przedsięwzięciem, lecz w rzeczywistości stanowi cenne narzędzie badawcze dla nauki. W stanie kondensatu Bosego-Einsteina efekty kwantowe stają się obserwowalne w skali makroskopowej. Dzięki temu możliwe staje się między innymi konstruowanie niezwykle dokładnych zegarów atomowych i czujników kwantowych, symulowanie procesów zachodzących we wnętrzu gwiazd neutronowych, a także testowanie zasady równoważności Einsteina, która stanowi fundament ogólnej teorii względności. To wszystko sprawia, że taki wysiłek badawczy ma głęboki sens.