Na kineskoj svemirskoj stanici ostvarena rekordno niska temperatura: 9,7 pikokelvina

Fizičari na kineskoj svemirskoj stanici Tiangong postigli su ekvivalentnu temperaturu od samo 9,7 pikokelvina (0,0000000000097 kelvina) — prema riječima istraživača, najnižu ikada izmjerenu. Novi rezultat, objavljen u časopisu Science, obara prethodni rekord u pokušajima nauke da se približi apsolutnoj nuli.

Za poređenje, prosječna pozadinska temperatura svemira iznosi oko 2,7 kelvina, pa je postignuta vrijednost niža čak 280 milijardi puta. Apsolutna nula predstavlja teorijski minimum temperature u svemiru — granicu do koje se toplotna energija ne može dodatno smanjiti. Iako se čini sličnom brzini svjetlosti kao fizičkoj granici, apsolutna nula je, za razliku od nje, nedostižna: svaki korak bliže donosi sve veće poteškoće u odvođenju preostale topline.

Eksperiment su predvodili Xiaoji Zhou i Xuzong Chen s Pekinškog univerziteta te Weibiao Chen iz Kineske akademije nauka. U svemir su se uputili zbog gravitacije — sile koja na Zemlji predstavlja najveću prepreku ekstremnom hlađenju atoma.

Kako je eksperiment izveden

Polazna tačka bio je oblak atoma rubidijuma-87, izotopa pogodnog za lasersko hlađenje i nastanak Boze-Ajnštajnovog kondenzata — neuobičajenog stanja materije u kojem se atomi ponašaju zajednički, poput jednog velikog kvantnog objekta. Laserskim hlađenjem u optičkoj zamci, unutar uređaja Cold Atom Physics Rack, atomi su dovedeni do ekstremno niskih temperatura, a potom je uslijedilo isparivajuće hlađenje — postupak pri kojem zamku napuštaju najsnažniji atomi, a zaostaju hladniji, poput tečnosti koja gubi najbrže molekule i hladi se.

U bestežinskom stanju, međutim, gravitacija ne odvlači atome iz zamke kao na Zemlji, pa je tim morao vještački reproducirati njen efekat pomoću gradijenta magnetnog polja.

Rezultat je bio kondenzat od približno 20.000 atoma rubidijuma na 3,1 nanokelvina. Atomski oblak potom je prebačen u širu lasersku zamku koja je postepeno oslabljivana, čime se smanjila energija oslobođena širenjem oblaka. Nakon potpunog isključivanja zamke oblak se raspršujeo izuzetno sporo — toliko da su atomi bili detektabilni sedam sekundi nakon oslobađanja.

Iz brzine širenja oblaka istraživači su izračunali ekvivalentnu temperaturu od rekordnih 9,7 pikokelvina. Riječ je o pojmu različitom od uobičajene temperature — on izražava energiju povezanu sa širenjem oblaka, mjerenu posmatranjem koliko se atomi sporo kreću i izraženu u kelvinima. Za nauku je ta razlika bitna: sporije raspršivanje atoma znači duže posmatranje i preciznija mjerenja.

Put do rekorda

Ovo nije prvi poduhvat te vrste u svemiru — NASA je još 2018. godine na Međunarodnoj svemirskoj stanici proizvela prvi orbitalni Boze-Ajnštajnov kondenzat, ohladivši rubidijumove atome na 100 nanokelvina. Prije novog rekorda, najniža vrijednost bila je 38 pikokelvina, postignuta 2021. u eksperimentu slobodnog pada u njemačkom tornju Bremen Drop Tower.

Boze-Ajnštajnovi kondenzati omogućavaju proučavanje kvantnih pojava na skali mnogo većoj od pojedinačnih atoma i služe za vrlo osjetljiva mjerenja fizičkog svijeta, što može pomoći u traganju za temeljnim zakonima svemira. Otkriće nosi i implikacije za istraživanja egzotičnih stanja materije u svemiru.

Među perspektivnim primjenama istraživači ističu atomsku interferometriju — tehniku koja koristi talasna svojstva atoma za detekciju sitnih promjena u okolini. Dulje vrijeme posmatranja atoma otvara mogućnost izrade osjetljivijih instrumenata za provjeru temeljne fizike, poput principa ekvivalencije, prema kojem gravitacija djeluje podjednako na sva tijela nezavisno od mase i sastava.

Tim smatra da bi ova platforma mogla imati značajnu ulogu u kvantnoj simulaciji i preciznoj metrologiji budućih svemirskih misija.