Дори привидно празното космическо пространство не е напълно студено. Вселената е възникнала преди приблизително 13,8 милиарда години в изключително горещо и плътно състояние, а остатъчната радиация от ранните етапи на нейното развитие продължава да изпълва пространството. Днес това излъчване, известно като космически микровълнов фон, определя средната температура на Вселената на около 2,7 келвина, или приблизително минус 270,45 градуса по Целзий. На този фон новото постижение на международната физична общност изглежда почти немислимо: учени успяха да създадат система с еквивалентна температура от едва 9,7 пикокелвина – стойност, която е приблизително 280 милиарда пъти по-ниска от температурата на космическия микровълнов фон.

Рекордът е постигнат на борда на китайската космическа станция „Тянгун“, където изследователите са използвали условията на микрогравитация, за да охладят облак от атоми до екстремно ниски температури. Според публикуваното в научното списание Science изследване това е най-ниската еквивалентна температура, измервана досега. Резултатът представлява значителна крачка в продължаващите опити на физиците да се доближат максимално до абсолютната нула – теоретичната граница, под която температурата не може да спадне.

Абсолютната нула съответства на 0 келвина, или минус 273,15 градуса по Целзий. Тя представлява фундаментална граница във физиката, при която топлинната енергия достига минимално възможното си ниво. За разлика от много други физични величини, които могат да бъдат доближавани чрез усъвършенстване на технологиите, абсолютната нула не може да бъде постигната в действителност. Колкото повече се приближават до нея, толкова по-трудно става отстраняването на оставащата енергия от дадена система. Именно в тази екстремна област обаче материята започва да проявява необичайни свойства, които позволяват на учените да изследват квантовата механика по нов начин.

Един от най-интересните примери за подобно поведение е кондензатът на Бозе-Айнщайн – особено състояние на материята, което се формира, когато определени атоми бъдат охладени до температури изключително близки до абсолютната нула. При тези условия атомите престават да се държат като напълно независими частици и започват да проявяват колективно квантово поведение. Техните индивидуални квантови състояния се обединяват в общо съгласувано състояние, при което цялата система започва да се държи почти като един огромен квантов обект. Това позволява на физиците да наблюдават квантови явления в мащаби, които са значително по-големи от обичайните атомни размери.

Кондензатите на Бозе-Айнщайн имат и сериозен практически потенциал. Те могат да бъдат използвани за изключително прецизни измервания на физични величини, включително гравитационни ефекти, ускорение и най-малки промени в околната среда. Проблемът е, че създаването и поддържането на подобни системи е изключително трудно, особено на Земята, където гравитацията поставя допълнителни ограничения пред експериментите. Именно затова изследователите насочват вниманието си към космоса, където условията на продължителна микрогравитация позволяват атомните облаци да бъдат изучавани по-дълго и при различни експериментални условия.

Това не е първият подобен експеримент извън Земята. През 2018 г. НАСА успява да създаде кондензат на Бозе-Айнщайн на борда на Международната космическа станция, като охлажда облак от рубидиеви атоми до приблизително 100 нанокелвина. Впоследствие други изследователски екипи продължават да подобряват постиженията, като предишният рекорд от 38 пикокелвина е постигнат при експеримент в условия на свободно падане в кулата за падане в Бремен, Германия. Новото изследване надхвърля тези резултати благодарение на възможността за продължително провеждане на експерименти в микрогравитационната среда на орбиталната станция.

Екипът, ръководен от физиците Сяодзи Джоу и Сюдзун Чен от Пекинския университет, както и Уейбяо Чен от Китайската академия на науките, използва облак от атоми на рубидий-87. Този изотоп е особено подходящ за подобни експерименти заради свойствата си, които го правят удобен за лазерно охлаждане и създаване на кондензати на Бозе-Айнщайн. Първоначално учените охлаждат атомите с помощта на лазери, като ги задържат в специален оптичен капан, разположен в апаратурата Cold Atom Physics Rack на борда на „Тянгун“.

Следващият етап включва техника, известна като изпарително охлаждане. При нея най-енергичните атоми се освобождават от системата, докато останалите запазват по-ниска средна енергия. Процесът наподобява охлаждането на гореща напитка, при което най-енергичните молекули напускат течността под формата на пара. В космоса обаче този метод създава допълнително техническо предизвикателство. На Земята гравитацията помага на отделящите се атоми да напуснат зоната на задържане, но в орбита подобна помощ липсва, тъй като всички обекти се намират в състояние на непрекъснато свободно падане.

За да преодолеят проблема, изследователите използват специално създаден градиент на магнитното поле, който имитира определени ефекти на гравитацията. По този начин най-енергичните атоми могат да напускат капана по-ефективно, което позволява допълнително охлаждане на останалата система. В резултат учените успяват да създадат кондензат на Бозе-Айнщайн, съдържащ приблизително 20 000 атома рубидий, с температура от едва 3,1 нанокелвина.

Но това не е краят на експеримента. След създаването на кондензата изследователите го прехвърлят във втори, по-широк оптичен капан, след което постепенно намаляват силата на задържащото лазерно поле. Така атомният облак получава възможност да се разширява постепенно, като същевременно се ограничава енергията, свързана с това разширяване. Накрая капанът е напълно изключен и учените наблюдават движението на освободените атоми. Резултатът е впечатляващ: облакът се разширява толкова бавно, че частиците остават откриваеми цели седем секунди след освобождаването им.

Именно скоростта на това разширяване позволява на екипа да изчисли рекордната еквивалентна температура от 9,7 пикокелвина. Тук е важно да се направи едно съществено уточнение: тази стойност не представлява непременно обичайната термодинамична температура на системата, а еквивалентна температура, определена въз основа на енергията и скоростта на разширяване на атомния облак. Казано по-просто, учените измерват колко бавно се движат атомите след освобождаването им и използват получените данни, за да определят съответстващото енергийно ниво, изразено в келвини. Това разграничение е важно, защото именно изключително бавното движение на атомите осигурява повече време за наблюдение и експериментално взаимодействие с тях.

Научното значение на откритието далеч надхвърля поставянето на нов температурен рекорд. Една от най-перспективните области на приложение е атомната интерферометрия – технология, която използва вълновите свойства на атомите, за да измерва изключително малки промени в заобикалящата ги среда. Благодарение на по-продължителното наблюдение на ултрастудените атомни облаци бъдещите инструменти биха могли да постигнат още по-висока чувствителност. Това би позволило провеждането на по-прецизни тестове на фундаментални физични принципи, сред които и принципът на еквивалентността – основополагаща идея в общата теория на относителността на Айнщайн, според която гравитацията въздейства еднакво върху различните тела независимо от тяхната маса или състав.

Снимка: Unsplash/NASA/NIST/Peking University

Виж още: Над 100 000 приложения вече са оптимизирани за iPhone Duo. Проверете дали вашите любими са сред тях