دانشمندان چینی موفق شدند با ثبت دمای معادل ۹٫۷ پیکوکلوین، رکورد جدیدی در دستیابی به دماهای فوق‌العاده پایین ثبت کنند؛ دستاوردی که در ایستگاه فضایی تیانگونگ چین و با استفاده از شرایط ریزگرانش به دست آمده و می‌تواند مسیر پژوهش‌های آینده درباره قوانین بنیادی فیزیک و فناوری‌های کوانتومی را هموار کند.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران در ایستگاه فضایی تیانگونگ چین موفق شدند دمای معادل یک ابر اتمی را به ۹٫۷ پیکوکلوین، معادل ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۹۷ کلوین، برسانند؛ رقمی که به گفته محققان، پایین‌ترین دمای معادل اندازه‌گیری‌شده تاکنون است. این مقدار حدود ۲۸۰ میلیارد برابر کمتر از دمای متوسط پس‌زمینه جهان است.
دمای متوسط فضای کیهانی حدود ۲٫۷ کلوین، معادل منفی ۲۷۰٫۴۵ درجه سانتی‌گراد است. با این حال، دستیابی به دماهایی نزدیک‌تر به صفر مطلق، یکی از چالش‌های مهم فیزیکدانان محسوب می‌شود.
صفر مطلق؛ مرز دست‌نیافتنی دما
صفر مطلق یا صفر کلوین، پایین‌ترین حد نظری دما در جهان است. در این نقطه، انرژی گرمایی به کمترین مقدار ممکن می‌رسد و بر اساس قوانین فیزیک، دستیابی کامل به آن امکان‌پذیر نیست. هرچه دما به این حد نزدیک‌تر شود، خارج کردن انرژی باقی‌مانده از ماده دشوارتر خواهد شد.
در چنین شرایطی، ماده می‌تواند رفتارهای کوانتومی غیرمعمولی از خود نشان دهد. یکی از نمونه‌های مهم آن، «چگالش بوز-اینشتین» است؛ حالتی ویژه از ماده که زمانی شکل می‌گیرد که برخی اتم‌ها تا دماهایی بسیار نزدیک به صفر مطلق سرد شوند.
در این وضعیت، اتم‌ها به‌جای آنکه مانند ذراتی مستقل رفتار کنند، به‌صورت جمعی عمل می‌کنند و حالت‌های کوانتومی آن‌ها به یک وضعیت منسجم و مشترک تبدیل می‌شود. به این ترتیب، دانشمندان می‌توانند رفتارهای کوانتومی را نه‌فقط در مقیاس اتمی، بلکه در مجموعه‌ای بزرگ‌تر از ذرات بررسی کنند.
چرا دانشمندان این آزمایش را در فضا انجام دادند؟
یکی از موانع اصلی دستیابی به دماهای بسیار پایین روی زمین، نیروی گرانش است. گرانش می‌تواند کنترل اتم‌ها و فرایند سردسازی آن‌ها را دشوار کند. به همین دلیل، پژوهشگران تصمیم گرفتند آزمایش خود را در محیط ریزگرانش فضا انجام دهند.
این نخستین‌بار نیست که چگالش بوز-اینشتین در فضا تولید می‌شود. ناسا در سال ۲۰۱۸ با استفاده از ایستگاه فضایی بین‌المللی موفق شد ابری از اتم‌های روبیدیوم را تا دمای ۱۰۰ نانوکلوین سرد کند. پس از آن، در سال ۲۰۲۱، پژوهشگران آلمانی در آزمایشی با استفاده از برج سقوط آزاد برمن، به دمای معادل ۳۸ پیکوکلوین دست یافتند.
در پژوهش جدید، گروهی به سرپرستی شیائوجی ژو و شوزونگ چن از دانشگاه پکن و ویبیائو چن از آکادمی علوم چین، از شرایط ریزگرانش طولانی‌مدت ایستگاه فضایی تیانگونگ برای شکستن این رکورد استفاده کردند.
چگونه اتم‌ها تا این اندازه سرد شدند؟
پژوهشگران آزمایش را با ابری از اتم‌های روبیدیوم-۸۷ آغاز کردند؛ ایزوتوپی که برای سردسازی لیزری و تولید چگالش بوز-اینشتین مناسب است.ابتدا اتم‌ها با استفاده از لیزر و درون محفظه‌ای به نام «سامانه فیزیک اتم‌های سرد» محصور و سرد شدند. سپس محققان از روشی موسوم به سردسازی تبخیری استفاده کردند. در این روش، پرانرژی‌ترین اتم‌ها از تله خارج می‌شوند و اتم‌های باقی‌مانده انرژی کمتری خواهند داشت؛ فرایندی شبیه سرد شدن قهوه در اثر خروج مولکول‌های پرانرژی به شکل بخار.
با این حال، نبود نیروی گرانش در مدار زمین، خروج مؤثر اتم‌ها از تله را دشوار می‌کرد. برای حل این مشکل، دانشمندان با ایجاد یک میدان مغناطیسی متغیر، اثری مشابه گرانش ایجاد کردند تا اتم‌های پرانرژی راحت‌تر از تله خارج شوند.
در نتیجه این فرایند، ابری متشکل از حدود ۲۰ هزار اتم روبیدیوم به حالت چگالش بوز-اینشتین رسید و دمای آن به ۳٫۱ نانوکلوین کاهش یافت.در مرحله بعد، ابر اتمی به تله نوری بزرگ‌تری منتقل شد. پژوهشگران به‌تدریج شدت این تله را کاهش دادند تا ابر اتمی گسترش یابد و انرژی آزادشده در جریان انبساط آن کمتر شود. سپس تله به‌طور کامل خاموش شد و دانشمندان حرکت و پراکندگی اتم‌ها را بررسی کردند.
ابر اتمی پس از رها شدن، آن‌قدر آهسته گسترش یافت که محققان توانستند اتم‌های آن را تا هفت ثانیه بعد همچنان شناسایی کنند.
دمای معادل چیست و چرا اهمیت دارد؟
پژوهشگران با اندازه‌گیری سرعت گسترش ابر اتمی، دمای معادل آن را ۹٫۷ پیکوکلوین محاسبه کردند.این مقدار دقیقاً معادل دمای متعارف یک ماده نیست، بلکه نشان‌دهنده انرژی جنبشی مرتبط با انبساط ابر اتمی است. به بیان ساده، دانشمندان با بررسی سرعت حرکت و پراکندگی اتم‌ها، میزان انرژی آن‌ها را برآورد و این انرژی را به واحد کلوین بیان کردند.
این تفاوت از نظر علمی اهمیت دارد؛ زیرا هرچه اتم‌ها آهسته‌تر حرکت کنند، مدت بیشتری می‌توان آن‌ها را مشاهده و دست‌کاری کرد. چنین قابلیتی دقت اندازه‌گیری‌های فیزیکی را افزایش می‌دهد.
از بررسی گرانش تا توسعه فناوری‌های کوانتومی
یکی از کاربردهای مهم این دستاورد، توسعه فناوری «تداخل‌سنجی اتمی» است. این فناوری از ویژگی موج‌مانند اتم‌ها برای اندازه‌گیری تغییرات بسیار کوچک در محیط اطراف استفاده می‌کند.
افزایش زمان مشاهده اتم‌ها می‌تواند به ساخت ابزارهای دقیق‌تر برای بررسی قوانین بنیادی فیزیک، از جمله اصل هم‌ارزی، کمک کند. این اصل بیان می‌کند که گرانش بر همه اجسام، صرف‌نظر از جرم یا ترکیب آن‌ها، به یک شکل اثر می‌گذارد.
از سوی دیگر، تولید گازهای کوانتومی فوق‌سرد در فضا می‌تواند امکان مطالعه حالت‌های غیرمعمول ماده را فراهم کند؛ حالت‌هایی که بررسی آن‌ها در آزمایشگاه‌های زمینی دشوار است.
پژوهشگران در مقاله خود تأکید کرده‌اند که این بستر آزمایشی مبتنی بر فناوری نوری، الزامات دقیق موردنیاز برای شبیه‌سازی کوانتومی و اندازه‌شناسی دقیق در مأموریت‌های فضایی آینده را برآورده می‌کند.نتایج این پژوهش در نشریه علمی Science منتشر شده است.