Curious Kids er en serie for børn i alle aldre. Hvis du har et spørgsmål, som du gerne vil have en ekspert til at svare på, så send det til [email protected].
Hvad er den langsomste ting på jorden? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
Med den berygtede skurk Dr. Evil’s ord: “Lasere.”
Lasere fokuserer en smal, rettet lysstråle på et bestemt sted, hvilket gør dem til et fantastisk redskab til at skære, brænde, svejse – eller i Dr. Evil’s tilfælde til at skyde fjender fra toppen af en haj. Disse aktiviteter producerer eller kræver alle varme. Laserstråler bevæger sig med lysets hastighed, mere end 670 millioner miles i timen, hvilket gør dem til den hurtigste ting i universet.
Så hvordan kan en laser producere den langsomste ting på jorden?
Først er det vigtigt at forstå forholdet mellem et objekts temperatur og dets hastighed. Jo varmere noget er, jo mere energi har det, og jo hurtigere bevæger det sig. Selv ting, der ser ud til at være helt stille – f.eks. en kuglepen eller din notesbog – er det ikke. På et mikroskopisk niveau bevæger de partikler, som de er lavet af, sig hurtigt. Dette gælder selv for levende væsener.
Lad os bruge dovendyret som eksempel. Hvis du zoomer ind på de molekyler, der udgør dette berømte langsomme dyrs krop, vil du se dem opføre sig som børn, der hopper rundt i en hoppeborg. Hvorfor? Omkring 70 % af dette dyrs krop består af vand, og disse vandmolekyler hopper rundt med hundredvis af kilometer i timen.
Laserkøling
Så det kan måske virke overraskende, at jeg bruger lyse, intense lasere til at køle ting ned i mine laboratorieeksperimenter. Jeg er fysiker, som interesserer mig for, hvordan atomer og molekyler opfører sig ved de allerkoldeste temperaturer. Det er en mærkelig verden, hvor kvantemekanikken hersker. I dette rige opfører partikler sig nogle gange som bølger i havet, og tro det eller ej, men de kan nogle gange være to forskellige steder på samme tid.
For at studere denne ekstraordinære opførsel bruger jeg lasere til at frembringe skyer af iskolde atomer, som er de koldeste ting på jorden – som vi kalder Bose-Einstein-kondensater. Når man afkøler en flok atomer ned til næsten det absolutte nulpunkt, den koldest mulige temperatur, begynder atomerne at adlyde kvantemekanikken og opføre sig på overraskende måder.
Undersøgelse af ultrakolde atomskyer kan måske give ledetråde om, hvordan andre mærkelige materialer, som f.eks. superledere, fungerer. Superledere transporterer elektricitet meget bedre end eksisterende materialer, så godt, at de måske en dag vil blive brugt til at bygge super-højhastighedstog.
Skabelse af den langsomste ting på jorden
Så hvordan præcist køler lasere en sky af atomer ned? I laboratoriet begynder vi med at lyse med lasere på atomer af et sølvhvidt metal kaldet ytterbium. Disse atomer, som er meget varme, holdes inde i et 1 meter bredt kammer. Men efter et par sekunder under laserstrålen køler de af, bliver langsommere og bliver fanget sammen i midten af kammeret.
Hvordan sker det? Alt lys, herunder en laser, består af fotoner, som er energipakker, der hele tiden er i bevægelse. Når vi skinner en laser ind i vores kammer, støder atomerne sammen med strømmen af fotoner i strålen og bliver langsommere og koldere – ligesom det, der ville ske, hvis man prøvede at løbe rigtig hurtigt mod en stærk vind.
Disse små kollisioner bringer atomskyens temperatur ned til blot nogle få milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt. Det er 459 grader under 0 grader Fahrenheit.
Men det er stadig ikke nok til at give denne sky prisen for at være den langsomste ting på Jorden. Der skal et sidste skridt til for at gøre den bare en smule koldere, en teknik, som vi fysikere kalder “fordampningskøling”.
Først fanger vi alle atomerne, nogle gange ved hjælp af et magnetfelt, der fremstilles ved at lade elektricitet løbe gennem en opviklet ledning. Dette skaber en usynlig brønd, som holder atomerne fast: Forestil dig kugler, der ligger i bunden af en skål. Derefter sænker vi siderne af dette skålformede kraftfelt ved at nedsætte den elektriske strøm, der løber gennem tråden. Det giver de hurtigere, varmere atomer mulighed for at zoome ud af “skålen” og slippe ud af fælden.
Kun de langsommere atomer bliver tilbage – og de er virkelig uden for frysepunktet: en tiendedel af en milliontedel af en milliondel af en grad over det absolutte nulpunkt. Atomerne i denne sky bevæger sig i slowmotion: Hvis de bevægede sig i en lige linje i stedet for at hoppe rundt, ville det tage dem en hel time at bevæge sig gennem et rum. Til sammenligning ville molekylerne i din krop kunne løbe gennem det samme rum på blot en brøkdel af et sekund.
Atomerne i vores iskolde atomsky bevæger sig bogstaveligt talt i mindre end sneglefart – og denne sky er det langsomste, der findes på Jorden.
Hej, nysgerrige børn! Har I et spørgsmål, som I gerne vil have en ekspert til at besvare? Bed en voksen om at sende dit spørgsmål til [email protected]. Fortæl os dit navn, din alder og den by, hvor du bor.
Og da nysgerrighed ikke har nogen aldersgrænse – voksne, så lad os også vide, hvad du undrer dig over. Vi vil ikke kunne besvare alle spørgsmål, men vi vil gøre vores bedste.