Curious Kids on sarja kaikenikäisille lapsille. Jos sinulla on kysymys, johon haluat asiantuntijan vastaavan, lähetä se osoitteeseen [email protected].
Mikä on maapallon hitain asia? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
Pahamaineisen pahiksen, Tohtori Pahan, sanoin: ”Laserit”.
Laserit kohdistavat kapean, suunnatun valonsäteen tiettyyn pisteeseen, mikä tekee niistä loistavan työkalun leikkaamiseen, polttamiseen, hitsaamiseen – tai Dr. Evilin tapauksessa vihollisten ampumiseen hain päältä. Kaikki nämä toiminnot tuottavat tai vaativat lämpöä. Lasersäteet kulkevat valon nopeudella, yli 670 miljoonaa kilometriä tunnissa, mikä tekee niistä maailmankaikkeuden nopeimman esineen.
Miten siis laser tuottaa maapallon hitaimman asian?
Aluksi on tärkeää ymmärtää kappaleen lämpötilan ja sen nopeuden välinen suhde. Mitä kuumempi jokin on, sitä enemmän sillä on energiaa ja sitä nopeammin se liikkuu. Jopa asiat, jotka näyttävät olevan täysin liikkumattomia – vaikkapa kynä tai muistikirjasi – eivät ole. Mikroskooppisella tasolla hiukkaset, joista ne on tehty, liikkuvat nopeasti. Tämä pätee jopa eläviin olentoihin.
Käytetään esimerkkinä laiskuria. Jos zoomaat tämän tunnetusti hitaan eläimen ruumiin muodostavia molekyylejä, näet niiden käyttäytyvän kuin lapset hyppivät pomppulinnassa. Miksi? Noin 70 prosenttia tämän eläimen kehosta koostuu vedestä, ja nämä vesimolekyylit pomppivat ympäriinsä satoja kilometrejä tunnissa.
Laserjäähdytys
Saattaa siis tuntua yllättävältä, että käytän kirkkaita, voimakkaita lasereita jäähdyttämään asioita laboratoriokokeissani. Olen fyysikko, joka on kiinnostunut siitä, miten atomit ja molekyylit käyttäytyvät kaikkein kylmimmissä lämpötiloissa. Se on outo maailma, jossa kvanttimekaniikka hallitsee. Tässä maailmassa hiukkaset käyttäytyvät joskus kuin aallot meressä, ja uskokaa tai älkää, ne voivat joskus olla kahdessa eri paikassa samaan aikaan.
Tutkiakseni tätä erikoista käyttäytymistä, käytän lasereita tuottaakseni pilviä jäisiä atomeja, jotka ovat maapallon kylmimpiä asioita – joita kutsumme Bose-Einsteinin kondensaateiksi. Kun joukko atomeja jäähdytetään lähes absoluuttiseen nollaan, kylmimpään mahdolliseen lämpötilaan, atomit alkavat noudattaa kvanttimekaniikkaa ja käyttäytyä yllättävillä tavoilla.
Ylikylmien atomipilvien tutkiminen saattaa antaa vihjeitä siitä, miten muut oudot materiaalit, kuten suprajohteet, toimivat. Suprajohteet johtavat sähköä paljon paremmin kuin nykyiset materiaalit, niin hyvin, että niitä saatetaan jonain päivänä käyttää supernopeiden junien rakentamiseen.
Creating the slowest thing on Earth
Miten laserilla jäähdytetään atomipilvi? Laboratoriossa aloitamme säteilemällä laserilla ytterbium-nimisen hopeanvalkoisen metallin atomeihin. Nämä atomit, jotka ovat todella kuumia, pidetään metrin levyisessä kammiossa. Muutaman sekunnin kuluttua lasersäteen vaikutuksesta ne kuitenkin jäähtyvät, hidastuvat ja juuttuvat yhteen kammion keskelle.
Miten tämä tapahtuu? Kaikki valo, myös laser, koostuu fotoneista, jotka ovat jatkuvasti liikkuvia energiapaketteja. Kun säteilytämme laseria kammiomme, atomit törmäävät säteen fotonivirtoihin, hidastuvat ja kylmenevät – kuten tapahtuisi, jos yrittäisit juosta todella nopeasti kovaa tuulta vasten.
Näiden pienten törmäyksien ansiosta atomipilven lämpötila laskee vain muutaman miljoonasosan asteen absoluuttisen nollan yläpuolelle. Se on 459 astetta alle 0 celsiusastetta.
Mutta se ei silti riitä antamaan tälle pilvelle palkintoa maapallon hitaimmasta oliosta. Tarvitaan vielä yksi viimeinen vaihe, jotta siitä tulee hieman kylmempi, tekniikka, jota me fyysikot kutsumme ”haihtumisjäähdytykseksi”.
Ensin vangitsemme kaikki atomit, joskus käyttämällä magneettikenttää, joka saadaan aikaan johtamalla sähköä käärityn langan läpi. Tämä luo näkymättömän kaivon, joka pitää atomit: Kuvittele, että kulhon pohjalla istuu marmorikuulia. Sitten laskemme tämän kulhon muotoisen voimakentän reunoja pienentämällä langan läpi kulkevaa sähkövirtaa. Näin nopeammat ja lämpimämmät atomit pääsevät ulos ”kulhosta” ja pakenevat ansasta.
Vain hitaammat atomit jäävät jäljelle – ja ne ovat todella jäätymisen yläpuolella: yhden kymmenesosan miljoonasosan verran absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Tämän pilven atomit liikkuvat hitaasti: Jos ne kulkisivat suorassa linjassa sen sijaan, että ne pomppisivat ympäriinsä, niiden kulkeminen huoneen halki kestäisi kokonaisen tunnin. Vertailun vuoksi mainittakoon, että kehossasi olevat molekyylit kiiruhtaisivat tuon huoneen halki vain sekunnin murto-osassa.
Jäätävän atomipilvemme atomit liikkuvat kirjaimellisesti alle etanan vauhtia – ja tämä pilvi on hitain asia maapallolla.
Hei, uteliaat lapset! Onko sinulla kysymys, johon haluaisit asiantuntijan vastaavan? Pyydä aikuista lähettämään kysymyksesi osoitteeseen [email protected]. Kerro meille nimesi, ikäsi ja kaupunki, jossa asut.
Ja koska uteliaisuudella ei ole ikärajaa – aikuiset, kertokaa tekin, mitä ihmettelette. Emme pysty vastaamaan jokaiseen kysymykseen, mutta teemme parhaamme.