فرادرسسردترین چیز در دنیا چیست؟ — معرفی دمای صفر مطلق و کاربردهای آن
سردترین ماده در دنیا در قاره جنوبگان نیست. همچنین این مکان در بالای قله اورست نیست و در یخچال‌های طبیعی نیز مدفون نشده است. سردترین نقطه دنیا در آزمایشگاه‌های فیزیک است. این نقطه به صورت ابرهای گازی هستند که دمای آن‌ها تنها کسری از درجه بالاتر از صفر مطلق است. این دما 395 میلیون بار سردتر از دمای یخچال شما و 100 میلیون بار سردتر از نیتروژن مایع است و 4 میلیون برابر نیز سردتر از فضای خارج از جو است.
دماهایی تا این حد پایین باعث می‌شوند که دانشمندان دریچه‌ای به سوی دنیایی که در آن ماده در حال فروپاشی است داشته باشند و به مهندسان کمک می‌کند تا بتوانند ابزارهای فوق‌العاده حساسی بسازند که چیزهای زیادی را برای ما مشخص می‌کند، از موقعیت دقیق ما روی این سیاره تا آنچه که در سریع‌ترین زمان ممکن در عالم رخ می‌دهد.
چگونه می‌توان چنین دماهای پایینی ایجاد کرد؟
به طور خلاصه با کندتر کردن حرکت ذرات می‌توان چنین دماهای پایینی را ایجاد کرد. وقتی در مورد دما صحبت می‌کنیم، در واقع درباره حرکت ذرات ماده حرف می‌زنیم. اتم‌هایی که مواد جامد، مایع و گاز را تشکیل می‌دهند همگی در هر زمان در حال حرکت هستند. وقتی اتم‌ها با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند، ما فکر می‌کنیم که ماده داغ‌تر شده است. وقتی آن‌ها کندتر حرکت می‌کنند، ماده را سریع‌تر حس می‌کنیم.
برای سرد کردن یک شیء یا گاز در زندگی روزمره آن را در محیط سرد مانند یخچال قرار می‌دهیم. برخی از حرکت‌های اتمی در اشیای داغ به محیط پیرامون انتقال می‌یابند و بدین ترتیب سرد می‌شود. اما برای این حالت محدودیتی وجود دارد. حتی فضای خارج از جو نیز برای ایجاد دماهای فوق‌العاده پایین بیش از حد گرم است. بنابراین دانشمندان برای ایجاد چنین دماهایی اتم‌ها را به صور مستقیم با استفاده از اشعه لیزر کند می‌کنند.
انرژی موجود در اشعه لیزر در اغلب شرایط باعث گرم‌تر شدن مواد می‌شود. اما وقتی به روشی بسیار دقیق از آن استفاده کنیم، این اشعه می‌تواند باعث کندتر شدن حرکت اتم‌ها شود و شیء را خنک‌تر سازد. این فرایندی است که در دستگاهی به نام تله مغناطیسی-نوری (magneto-optical) رخ می‌دهد. اتم‌ها وارد یک محفظه خلأ می‌شوند و یک میدان مغناطیسی، آن‌ها را در مرکز این محفظه جمع می‌کند. یک اشعه لیزر در مرکز محفظه روی فرکانس صحیح تنظیم شده است و اتمی که به سمت آن حرکت می‌کند یک فوتون از اشعه لیزر را جذب کرده و کندتر می‌شود.
تأثیر کندشدگی از انتقال تکانه بین اتم و فوتون حاصل می‌شود. با وجود مجموعاً شش اشعه که به صورت عمود بر هم چیده شده‌اند، مطمئن می‌شویم که اتم‌ها در همه جهات که حرکت کنند به اشعه لیزر برخورد می‌کنند. در مرکز محفظه که اشعه‌ها به هم برخورد می‌کنند، اتم‌ها به طور سنگین‌تری حرکت می‌کنند، به طوری که گویی درون یک مایع غلیظ افتاده‌اند. این حالتی که است که دانشمندان مبدع این تکنیک آن را «شیره نوری» می‌نامند.
یک تله مغناطیسی-نوری مانند آنچه توصیف کردیم، می‌تواند باعث کندتر شدن اتم‌ها تا دمای چند میکرو کلوین شود که در حدود 273- درجه سلسیوس است. این تکنیک در دهه 1980 ارائه شده است و دانشمندی که مسئول اصلی ابداع آن بوده به خاطر این کشف، برنده جایزه نوبل سال 1998 شده است. از آن زمان خنک‌سازی لیزری به میزان زیادی بهبود یافته است و اینک می‌توانیم حتی به دماهای پایین‌تری دست پیدا کنیم.
چرا باید بخواهیم اتم‌ها را تا این حد سرد کنیم؟
در ابتدا باید بگوییم که اتم‌های سرد می‌توانند یکی از بهترین آشکارسازها باشند. این اتم‌ها با سطح انرژی پایین خود نسبت به اعوجاج‌های محیط فوق‌العاده حساس هستند. بنابراین از آن‌ها در دستگاه‌هایی برای یافتن ذخایر زیرزمینی نفت و مواد معدنی استفاده می‌شود. از این اتم‌ها می‌توان برای ساخت ساعت‌های اتمی بسیار دقیق مانند ساعتی که در ماهواره‌های سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS) استفاده می‌شود، بهره گرفت.
دومین دلیل نیاز به چنین دماهایی این است که اتم‌های سرد، پتانسیل بسیار بالایی برای کاوش مرزهای فیزیک دارند. حساسیت فوق‌العاده آن‌ها باعث شده است که به نامزدهای بالقوه برای آشکارسازی امواج گرانشی در آشکارسازهای فضاپایه آینده تبدیل شوند. این اتم‌ها برای مطالعه پدیده‌های اتمی و زیر اتمی که نیازمند اندازه‌گیری اعوجاج‌های بسیار ریز در انرژی اتم‌ها است، نیز مفید هستند. این اعوجاج‌ها در دماهای معمول که اتم‌ها سرعتی برابر با صدها متر بر ثانیه دارند، قابل مشاهده نیستند.
خنک‌سازی لیزری می‌تواند سرعت حرکت اتم‌ها را تا حد چند سانتی‌متر بر ثانیه کاهش دهد که برای مشاهده حرکت‌های ناشی از تأثیرات کوانتومی اتم کافی است. اتم‌های فوق‌العاده سرد قبلاً برای مطالعه پدیده‌هایی مانند چگالش بوز-انیشتین استفاده شده‌اند. در این پدیده اتم‌ها تا تقریباً صفر درجه سرد می‌شوند و به حالت جدید و نادری از ماده می‌رسند. همچنان که دانشمندان به تلاش خود برای درک قوانین فیزیکی و کشف راز کیهان ادامه می‌دهند، در این مسیر از سردترین اتم‌ها کمک می‌گیرند.
ما می‌توانیم در عمل اتم‌ها را به طور کامل ثابت نگه داریم.
Bengt Nagel-
اگر به این نوشته علاقه‌مند بودید، پیشنهاد می‌کنیم موارد زیر را نیز ملاحظه نمایید:
- تعریف گرما و دما در ترمودینامیک — به زبان ساده
- آموزش پلاسمای سرد
- مجموعه آموزش های فیزیک
- آموزش انجماد فلزات در ریخته گری
- دروس مهندسی صنایع
- آموزش رئولوژی و پردازش مواد پلیمری (Rheology)
==
عالی و آمیانه