Навіть порожній космічний вакуум не є абсолютно холодним.
Всесвіт зародився близько 13,8 мільярда років тому в стані настільки високої температури й щільності, що випромінювання, що залишилося з того часу, досі пронизує кожен її куточок.
Середня фонова температура космічного простору складає близько 2,7 кельвіна - це -270,45 градуса Цельсія або -454,81 градуса за Фаренгейтом.
Нещодавно вчені створили середовище з еквівалентною температурою, яка у 280 мільярдів разів нижча від цього значення, — тим самим було побито попередній рекорд у прагненні людства максимально наблизитися до абсолютного нуля.
На борту китайської космічної станції "Тяньгун", що знаходиться на навколоземній орбіті, фізики досягли рекордно низької еквівалентної температури - всього 9,7 пікокельвіна (0,0000000000097 кельвіна). "Наскільки нам відомо, це найнижча еквівалентна температура, коли-небудь зафіксована", - зазначають дослідники у статті, опублікованій у журналі Science.
Абсолютний нуль – нуль кельвінів – це теоретична нижня межа температури у Всесвіті. При досягненні цієї позначки теплова енергія фізично неспроможна опуститися нижче. Це свого роду аналог швидкості світла: фундаментальна межа, яку закони фізики подолати не дозволяють.
Втім, на відміну від швидкості світла, досягти абсолютного нуля неможливо. Чим ближче вчені підбираються до нього, тим складніше стає відводити залишкову теплову енергію; зрештою для досягнення цієї межі знадобився б процес охолодження, який неможливо завершити.
Проте фізики не залишають спроб — і чим ближче вони підходять до абсолютного нуля, тим незвичайніше починає поводитися матерія.
Один із яскравих прикладів — конденсат Бозе-Ейнштейна, екзотичний стан речовини, що виникає, коли певні атоми охолоджуються до температур, які лише на частки градусів перевищують абсолютний нуль.
У таких екстремальних умовах атоми починають поводитися колективно: їх індивідуальні квантові стани зливаються в єдине ціле. Вони перестають функціонувати як сукупність окремих частинок та починають діяти практично як один гігантський квантовий об'єкт. Оскільки квантові ефекти, як правило, найбільш помітні на атомному рівні, конденсати Бозе-Ейнштейна дозволяють вченим вивчати квантову поведінку в значно більшому масштабі, а не намагатися спостерігати її на прикладі окремих атомів.
Крім того, їх можна використовувати для проведення надзвичайно точних фізичних вимірів, що потенційно допомагає вченим досліджувати фундаментальні закони, що керують Всесвітом.
Проте створення конденсатів Бозе-Ейнштейна – завдання непросте. На Землі цей процес стикається з непереборною перешкодою: гравітацією, через яку дуже складно охолодити атоми до таких низьких температур.
Тому дослідники вирішили провести експеримент там, де гравітація створює набагато менше проблем — у космосі.
Вони не перші, хто пішов на такий крок. Ще у 2018 році NASA створило перший конденсат Бозе-Ейнштейна на орбіті, на борту Міжнародної космічної станції, охолодивши хмару атомів рубідія до 100 нанокельвінів.
З того часу було досягнуто ще більш вражальних результатів: у 2021 році в науковій статті повідомлялося про рекорд у 38 пікокельвінів, встановлений під час експерименту в умовах вільного падіння у Бременській гравітаційній вежі (Німеччина).
У новому експерименті, який очолили фізики Сяоцзі Чжоу та Сюйцзун Чэнь із Пекінського університету, а також Вейбяо Чэнь із Китайської академії наук, використовувалися переваги тривалої мікрогравітації, що дозволило ще сильніше знизити температуру атомів.
Як і багато їхніх попередників, дослідники розпочали з хмари атомів рубідія-87 — ізотопу, який особливо добре підходить для лазерного охолодження та створення конденсатів Бозе-Ейнштейна.
Для охолодження атомів вчені використовували лазери, утримуючи атоми в оптичній пастці всередині спеціальної установки — модуля для фізики холодних атомів (Cold Atom Physics Rack).
Потім дослідники застосували метод, званий випарним охолодженням: найбільш енергійні атоми залишають систему, в результаті чого атоми, що залишилися, мають меншу енергію. Це схоже на те, як остигає кава: найенергійніші молекули відлітають у вигляді пари.
Однак тут знову виникла проблема, пов'язана із гравітацією. На Землі гравітація допомагає цьому процесу, захоплюючи атоми, що вилітають геть від пастки. А на орбіті, де все перебуває у стані постійного вільного падіння, такої допомоги немає.
Таким чином, відправившись у космос, щоб позбавитися впливу гравітації, дослідникам довелося шукати спосіб відтворити її дію.
Вони досягли цього, створивши градієнт магнітного поля, який імітував вплив гравітації на атоми, дозволяючи найенергійнішим з них ефективніше залишати систему.
На цьому етапі в експерименті було отримано конденсат Бозе-Ейнштейна, що складався приблизно з 20 000 атомів рубідію, охолоджених до температури всього 3,1 нанокельвіна.
Але на цьому робота дослідників не закінчилась.
Вони перенесли конденсат у другу, ширшу пастку, створену з допомогою лазерного випромінювання, та поступово послабили її. Це дозволило хмарі атомів розширитися, що призвело до зменшення енергії, що виділяється у процесі такого розширення.
Нарешті вони повністю відключили пастку і почали спостерігати за тим, як хмара розсіюється.
Вона розширювалася настільки повільно, що дослідники могли фіксувати атоми навіть через сім секунд після їхнього вивільнення.
Вимірявши швидкість, з якою розширювалася хмара, дослідники вирахували її еквівалентну температуру — рекордні 9,7 пікокельвіна.
Це поняття відрізняється від звичного визначення температури. Еквівалентна температура характеризує енергію, пов'язану з розширенням хмари: вчені оцінюють, наскільки повільно рухаються атоми, визначають на основі цього руху їхню енергію та виражають її в кельвінах.
Для вчених, які планують використовувати такі атомні хмари для надточних вимірювань, ця відмінність має велике значення. Чим повільніше розлітаються атоми, тим довше їх можна спостерігати й контролювати — а значить, тим вищою може бути точність вимірювань.
Йдеться не просто про встановлення температурних рекордів. Отриманий результат відкриває цікаві перспективи майбутніх досліджень.
Один з найбільш перспективних напрямків — атомна інтерферометрія, в якій використовуються хвильові властивості атомів для фіксації незначних змін у навколишньому середовищі.
Збільшення часу спостереження за атомами дозволить вченим створювати більш чутливі прилади для перевірки фундаментальних фізичних принципів, зокрема, принципу еквівалентності — твердження про те, що гравітація впливає на всі об'єкти однаково, незалежно від їхньої маси чи складу.
Можливість створення таких ультрахолодних квантових газів у космічному просторі дозволить дослідникам вивчати екзотичні стани матерії, які дуже складно досліджувати у земних лабораторних умовах.
"Ця повністю оптична платформа для роботи з ультрахолодними системами… відповідає жорстким вимогам, які висуваються до квантового моделювання та прецизійних вимірів у майбутніх космічних місіях, що відкриває нові горизонти у двох найважливіших галузях науки", — зазначають дослідники.
