همشهری آنلاین، فرخنده رفائی: تصور کنید ماده‌ای را آن‌قدر سرد کنیم که حرکت اتم‌های تشکیل‌دهنده آن تقریبا متوقف شود. چنین شرایطی در زمین به‌دلیل محدودیت‌های گرانش بسیار دشوار است، اما محیط بی‌وزنی فضا فرصت تازه‌ای برای دانشمندان فراهم کرده تا رفتار ماده را در دماهای فوق‌العاده پایین بررسی کنند.
به گزارش نیو اطلس، پژوهشگران در آزمایشی که در ایستگاه فضایی تیانگونگ چین انجام شد، موفق شدند دمای مؤثر ابری از اتم‌های روبیدیوم را به حدود ۹.۷ پیکوکلوین بالاتر از صفر مطلق برسانند. این مقدار تقریبا چهار برابر سردتر از رکورد قبلی است که در سال ۲۰۲۱ با دمای ۳۸ پیکوکلوین به دست آمده بود.
سرمایی ۲۸۰ میلیارد برابر سرمای کیهان
برای درک بهتر این رکورد، کافی است آن را با دمای متوسط فضای کیهانی مقایسه کنیم. دمای پس‌زمینه کیهان که حاصل تابش به‌جامانده از انفجار بزرگ است، حدود ۲.۷ کلوین یا منفی ۲۷۰.۴۵ درجه سانتی‌گراد برآورد می‌شود. دمای معادل ثبت‌شده در آزمایش جدید حدود ۲۸۰ میلیارد برابر کمتر از این مقدار است؛ دستاوردی که نشان می‌دهد دانشمندان تا چه اندازه به مرزهای نظری سرمایش در فیزیک نزدیک شده‌اند.
صفر مطلق، معادل منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد، پایین‌ترین دمای نظری در فیزیک است که در آن انرژی گرمایی سیستم به کمترین مقدار ممکن می‌رسد. رسیدن واقعی به این دما امکان‌پذیر نیست، اما دانشمندان با روش‌های پیشرفته سرمایش می‌توانند به آن بسیار نزدیک شوند.
در این آزمایش، حدود ۲۰ هزار اتم روبیدیوم با استفاده از پرتوهای لیزر در یک تله نوری محصور شدند. پژوهشگران ابتدا با کاهش سرعت اتم‌های پرتحرک و سپس استفاده از روش سرمایش تبخیری، انرژی حرکتی اتم‌ها را کاهش دادند و حالت خاصی از ماده به نام «چگالش بوز-اینشتین» ایجاد کردند.
در این حالت، تعداد زیادی از اتم‌ها به یک وضعیت کوانتومی مشترک وارد می‌شوند و رفتاری شبیه به یک موج واحد از ماده پیدا می‌کنند. بررسی این وضعیت به دانشمندان امکان می‌دهد پدیده‌های کوانتومی را در مقیاسی بزرگ‌تر مشاهده کنند.
بیشتر بخوانید:
- آنتروپیک از نزدیک شدن هوش مصنوعی به خودبهبودی خبر داد
- برای نخستین بار یک سازه در فضا به‌صورت روباتیک ساخته شد
- دانشمندان تمام اجزای اصلی DNA و RNA در یک سیارک پیدا کردند
ترفند دانشمندان برای بازسازی اثر گرانش
با وجود اینکه پژوهشگران برای فرار از محدودیت‌های گرانش به فضا رفتند، در آنجا با مشکل تازه‌ای روبه‌رو شدند. در روش سرمایش تبخیری، اتم‌های پرانرژی باید از تله خارج شوند تا اتم‌های باقی‌مانده انرژی کمتری داشته باشند. روی زمین، گرانش به خروج این اتم‌ها کمک می‌کند، اما در مدار زمین چنین نیرویی به شکل معمول وجود ندارد. دانشمندان برای حل این مشکل، یک میدان مغناطیسی با شیب کنترل‌شده ایجاد کردند تا اثر گرانش را شبیه‌سازی کند و اتم‌های پرانرژی را از تله بیرون براند.
نکته مهم آزمایش جدید، استفاده از شرایط بی‌وزنی مدار زمین بود. در سطح زمین، گرانش باعث می‌شود ابر اتمی به‌سرعت از محدوده آزمایش خارج شود، اما در فضا پژوهشگران توانستند محدودیت محفظه نوری را بیشتر کاهش دهند و اجازه دهند اتم‌ها آزادانه‌تر منبسط شوند. با این حال دانشمندان با چالش‌هایی هم برای انجام این آزمایش مواجه بودند.
اندازه‌گیری سرعت گسترش این ابر از دو جهت نشان داد دمای مؤثر آن بین ۷ تا ۱۲.۹ پیکوکلوین قرار دارد. این عدد مستقیما با دماسنج اندازه‌گیری نشده، بلکه از انرژی مربوط به انبساط ابر اتمی تخمین زده شده است.
چرا این رکورد برای آینده اهمیت دارد؟
یکی دیگر از دستاوردهای آزمایش، فراهم شدن فرصت مشاهده رفتار کوانتومی اتم‌ها به مدت هفت ثانیه بود؛ زمانی طولانی‌تر از آزمایش‌های پیشین. پژوهشگران امیدوارند این فناوری به ساخت ابزارهای دقیق‌تر برای بررسی گرانش، آزمودن نسبیت عام و مطالعه پدیده‌های کوانتومی کمک کند.
اهمیت این دستاورد فقط به ثبت رکورد سردترین دمای معادل محدود نمی‌شود. یکی از کاربردهای احتمالی آن، ساخت ابزارهای بسیار دقیق‌تری به نام تداخل‌سنج اتمی است. این ابزارها با استفاده از رفتار موج‌مانند اتم‌ها، تغییرات بسیار کوچک محیط را اندازه‌گیری می‌کنند. دانشمندان امیدوارند با افزایش زمان مشاهده اتم‌های فوق‌سرد، بتوانند اصل هم‌ارزی را با دقت بیشتری آزمایش کنند؛ اصلی در فیزیک که می‌گوید گرانش بر همه اجسام، صرف‌نظر از جرم و ترکیب آن‌ها، به یک شکل اثر می‌گذارد.