Furðuleg eðlisfræði algjörs núlls og hvað þarf til að komast þangað

TIL AÐ Ímynda þér að þú vinnur þig niður hitastigið inn í ríki mikilla kulda gætirðu byrjað með inni í iðnaðarfrysti. Við um það bil -18°C (0°F) er það óþægilegt, en þolanlegt með hlý föt. Nú skaltu snúa huganum að -60°C (-76°F) eða svo sem landkönnuðir upplifa á suðurskautsveturinn, hitastig sem er svo alvarlegt að það getur eyðilagt hold manna. Og þá, fyrir fullkominn kulda, hugsaðu um rýmið sjálft við -270°C.

Nema, það gæti komið þér á óvart að heyra að kaldustu staðir alheimsins eru ekki í geimnum, heldur í eðlisfræðideildum margra háskóla. Hér, á undanförnum áratugum, hafa vísindamenn verið að finna leiðir til að ná sífellt nær kaldasta mögulega hitastigi, algjöru núlli. Í því ferli erum við komin inn í nýtt svið þar sem furðulegt ástand efnis getur streymt upp á við, hægt er að gera hlé á efnahvörfum og setja saman hönnuð efni.

Nú er hins vegar að sigra kuldann að fara inn í nýjan áfanga þar sem við smíðum fullkomna kælitækni: skammtakælinn. Kveiktu á einni af þessum fullkomnu kælivélum og hlutirnir verða enn undarlegri, hiti flæðir afturábak og hitastigið sjálft hættir að hafa nokkra þýðingu.

Spurningin um hvað það þýðir að eitthvað kólni er þúsundir ára gömul. Árið 450 f.Kr. hugsaði gríski heimspekingurinn Parmenides upp frigidum primum , tilgátuefni sem var eins kalt og mögulegt er og gæti fyllt aðra hluti kulda. Árið 1664, eftir stranga rannsókn á efnum eins og lofti eða vatni, sagði efnafræðingurinn Robert Boyle að hugmyndin væri óafsakanleg. Hann og samtímamenn hans töldu þess í stað að hiti og kuldi væru aðskildar einingar framleiddar með efnafræði eða lifandi verum.

Í dag skiljum við að heitt og kalt eru hlutfallslegir eiginleikar efnis sem ákvarðast af því hversu mikið frumeindir þess sveiflast um. Ef þessi frumeindir hafa mikla orku og hreyfast hratt verður það heitara en ef þau hafa minni orku og hreyfast hægar.

Hvað er kaldasti hitinn?

Þegar kemur að því hversu kalt getur orðið eru grundvallartakmörk. Árið 1848 kynnti Kelvin lávarður hugmyndina um algjört núll. Þetta er punkturinn þar sem atómin í hlut hætta alveg að hreyfast og geta því ekki orðið kaldari. Með framreikningi frá tilraunum reiknaði Kelvin út að þessum punkti yrði náð við -273°C. (Ef þú ert að spá í hvort það sé til heitasta mögulega hitastig, það eru eðlisfræðileg takmörk – frumeindir geta ekki hreyft sig hraðar en ljóshraða, til dæmis – en ákveðin tala er ekki þekkt.)

Á áratugunum á eftir þróuðu Kelvin og fleiri varmafræði, kenninguna sem tengir hita, vinnu og magn sem kallast óreiðu. Entropy er mælikvarði á röskun. Þegar frumeindir renna um óskipulega er sagt að þau hafi mikla óreiðu og þegar þau hreyfast hægar eða bara titra varlega í snyrtilegu mynstri, þá hafa þau lægri óreiðu. Fljótlega komumst við að því að hiti flæðir alltaf frá heitu til köldu þannig að hlutir ná náttúrulega jafnvægi við umhverfi sitt – hugsaðu þér svalan drykk sem hitnar í sumarsólinni – nema við leggjum orku í að ýta hlutunum í hina áttina.

Frystiskápar nota orku til að kæla hluti niður og hágæða vélar geta venjulega aðeins þrýst þessu eins langt og -80°C (-112°F). En það er tiltölulega einföld leið til að ná miklu lægra hitastigi – þrýstið á helíumgas og ýtið því út í gegnum stút til að búa til fljótandi helíum við hitastigið -269°C, aðeins 4 gráður yfir algeru núlli. Sökkva hlut í þennan vökva og það verður mjög kalt.

Hvernig laser kæling virkar

Seint á níunda áratugnum fundu þrír eðlisfræðingar sjálfstætt upp leið til að komast enn nær algjöru núlli og það myndi reynast hafa gríðarlegar afleiðingar. Rannsakendurnir sem um ræðir voru Claude Cohen-Tannoudji hjá école Normal Supérieure í París, Steven Chu , síðan hjá AT&T Bell Laboratories í New Jersey, og William Phillips hjá National Institute for Standards and Technology í Maryland.

Þeir byrjuðu með lofttegund af atómum eins og sesíum eða rúbídíum sem suðaði um í lofttæmishólfinu. Rannsakendur slógu síðan hvert atóm með leysipúlsi sem var í öfuga átt við þá átt sem ögnin ferðaðist í. Með því að gera þetta margoft gátu þeir hægt á atómunum niður í hundrað milljónustu af upprunalegum hraða sínum, þannig að þau voru varla flytja. Og vegna þess að hiti jafngildir atómhreyfingu, voru þeir nú mjög kaldir. Metið var 40 míkrókelvin, aðeins nokkrir tugir milljónustu úr gráðu yfir algjöru núlli. Árið 1997 deildu vísindamennirnir Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir að finna upp þessa kæliaðferð.

Snemma á tíunda áratugnum tóku þrír aðrir eðlisfræðingar, Eric Cornell og Carl Wieman við háskólann í Colorado Boulder og, hvor fyrir sig, Wolfgang Ketterle við Massachusetts Institute of Technology, enn eitt skrefið niður hitastigann. Aðferð þeirra, þekkt sem uppgufunarkæling, notaði leysir ekki bara til að hægja á atómum heldur einnig til að skjóta þeim heitustu í burtu og skildu aðeins eftir kaldasta af kuldanum. Þeim tókst að kæla rúbídíum- og natríumatóm niður í hitastig mælt í nanókelvíni, um það bil þúsundasta af því hitastigi sem náðist á níunda áratugnum. Það hlaut tríóið eigin Nóbelsverðlaun árið 2001.

Allt þetta gerði okkur kleift að stíga inn um dyrnar inn í skammtaheimur. Það er undarlegt ríki, þar sem agnir geta stundum verið til á tveimur stöðum í einu, eða flækst þannig að þær geta greinilega haft áhrif hver á aðra samstundis um miklar vegalengdir. En þessa skammtahegðun er aðeins hægt að sjá þegar agnirnar eru ótruflaðar af utanaðkomandi áhrifum, sem felur í sér jafnvel titring nágrannaatóma. Með varma að öllu leyti fjarlægan og atómin nú kyrr, gætum við kannað skammtaheiminn frjálslega.

Eitt af því fyrsta sem Ketterle og samstarfsmenn hans uppgötvuðu, árið 1995, var nýtt ástand efnis sem Albert Einstein hafði spáð fyrir 70 árum áður, en aldrei sést. Þegar þú kælir hluti býst þú við að þeir frjósi í fast efni. En hundruð þúsunda ofkaldra atóma geta hegðað sér eins og samræmdur klumpur af skammtaefni, þekktur sem Bose-Einstein þéttivatn. Þeir missa sjálfsmynd sína og sullast um sem skrýtinn vökvi sem getur stundum runnið upp á við. „Almennt er meginreglan, ef þú getur náð lægri hitastigi, þá verður þú að gera uppgötvanir,“ segir Ketterle. „Ef þú býrð í eyðimörk gætirðu ekki fundið ís nema þú byggir ísskáp. Það var það sem við gerðum þegar við náðum nanokelvin hitastigi.“

Síðan þá hafa þessar kæliaðferðir skapað grósku í öfgakaldri eðlisfræði og við höfum lært hvernig á að kæla sameindir jafnt sem atóm. Það er ekki ofsagt að segja að þetta hafi umbreytt raunvísindum.

Taktu leiðina sem við hönnum efni. Segjum að við viljum búa til a ofurleiðari, efni sem leiðir rafmagn án mótstöðu. Áður fyrr fundu vísindamenn efni – kannski málm – sem leysti verkið þokkalega vel, rannsaka síðan frumeindabyggingu þess svo þeir gætu betur skilið hvað gerir óvenjulegan leiðara. En það er erfið vinna vegna þess að innri virkni efna er svo flókin.

Ultrakald eðlisfræði gerir betri nálgun. Vísindamenn geta tekið sameindir sem eru nánast hreyfingarlausar og tengt þær saman eins og byggingareiningar og sett saman efni frá grunni. Þetta gerir þeim kleift að prófa tilgátur um hvernig innri uppbygging efna ræður eiginleikum þeirra. Þessi nálgun hjálpaði okkur að skilja að skammtaeiginleiki atóma sem kallast spinning virðist gegna mikilvægu hlutverki í sumum gerðum ofurleiðara, til dæmis.

Efnafræði hefur einnig séð stórkostlegar framfarir. Hægt er að nota leysikælingu til að hægja á og stýra efnahvörfum svo vísindamenn geti fylgst með áður óþekktri nákvæmni og skýrleika hvernig sameindir sameinast eða klofna. Árið 2019, til dæmis, kældi rannsóknarhópur Kang-Kuen Ni við Harvard háskóla kalíum- og rúbídíumatóm niður í 500 nanókelvín, neyddi þau til að byrja að bregðast við og notaði síðan leysir til að stöðva hvarfið hálfa leið í gegnum náttúrulegt ferli. Það sem þeir njósnuðu þegar þeir slógu í hlé var millisameind sem hafði aldrei sést við stofuhita . Með því að stjórna því frosna ástandi með enn meira leysiljósi gætu vísindamennirnir í raun stýrt restinni af viðbragðinu.

Þú gætir haldið að milljarður úr gráðu yfir algeru núlli sé eins gott og við getum. En undanfarið hafa vísindamenn unnið að alveg nýrri kælivél: skammtakælinum. Þetta væri kerfi sem notar reglur qauntum heimsins til að kæla hlutina niður, og það gæti tekið okkur á alveg ný landamæri kulda – og skrýtna.

Quantum ísskápar

Ekki sjá fyrir þér skammtakæli eins fjarlægan og eldhúskæli – þú munt ekki setja mjólkina þína í einn. Frekar hafa þeir tilhneigingu til að samanstanda af örsmáum skammtahlutum sem eru tengdir þannig að hægt sé að flytja varma frá einum til annars. Árið 2019, Dzmitry Matsukevich við National University of Singapore og samstarfsmenn hans bjuggu til slíkan skammtakæli úr þremur leysikældum ytterbium atómum. „Við gætum smíðað pínulitla vél, rekið hana í skammtafræðinni og séð hvað gerist,“ segir hann. Þeir gerðu tilraunir með að koma þessum atómum í skammtaástand, til dæmis með því að flækja þau í skammtafræði. Sum þessara áhrifa gerðu ísskápnum kleift að kæla ögn niður um meira en ætti að leyfa samkvæmt reglum varmafræðinnar.

Sama ár gerðu Eric Lutz og félagar hans við háskólann í Stuttgart í Þýskalandi sinn eigin skammtakæli. Hönnun þeirra notaði sameindir sem virkuðu eins og skammtabitar, eða qubitar, í skammtatölvu. Qubits voru skammtafylgni, sem þýðir að þeir gætu miðlað upplýsingum á sérstakan hátt. Við þessar aðstæður sýndu rannsakendur fram á að hiti gæti streymt á „rangan hátt“ þannig að heitt svæði myndi stela hita frá kaldara svæði. Munurinn á svæðunum var lítill, tugir milljarðastu úr gráðu, en það var samt augljóst brot á lögmálum varmafræðinnar.

Fyrir þessa skammtafræðilega ísskápa gilda þá venjulegu reglurnar greinilega ekki. Í vissum skilningi kemur þetta ekki á óvart. Hitaaflfræði er kenning sem er hönnuð til að takast á við umtalsvert safn agna. Entropy, eða röskun – þessi eiginleiki sem er svo samofinn hitastigi – er aðeins skynsamleg fyrir hóp agna. Þegar við erum að fást við skammtakerfi sem samanstendur af, segjum, tveimur eða þremur næstum hreyfingarlausum ögnum, er mun óljóst hvað „óreiður“ eða „hiti“ þýðir.

Ronnie Kosloff við Hebreska háskólann í Jerúsalem telur að varmafræði ætti í raun að gilda við allar aðstæður. En kannski, segir hann, þurfum við nýja útgáfu af kenningunni – skammtavarmafræði – sem notar skilgreiningu á hitastigi sem virkar á skammtastigi; þá gæti hegðun skammtaísskápa verið skynsamlegri. Einn efnilegur kostur er að nota upplýsingar sem umboð fyrir hitastig. Það er önnur stærð sem er nátengd óreiðu, en sú sem við skiljum nokkuð vel á skammtastigi.

Skammtavarmafræði er enn í vinnslu. Og enn er verið að betrumbæta skammtaskápa. En eitt er að koma berlega í ljós: þegar við komumst að neðst á hitastigskvarðann verða hiti og kuldi mun sleipari hugtök.