A Kíváncsi gyerekek sorozat minden korosztály számára készült. Ha van egy kérdésed, amire szeretnéd, hogy egy szakértő válaszoljon, küldd el a [email protected] címre.
Mi a leglassabb dolog a Földön? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
A hírhedt gonosztevő, Dr. Evil szavaival élve: “Lézerek”.
A lézerek egy keskeny, irányított fénysugarat fókuszálnak egy adott pontra, ami remek eszközzé teszi őket vágásra, égetésre, hegesztésre – vagy Dr. Evil esetében egy cápa tetejéről ellenségekre lövöldözésre. Ezek a tevékenységek mind hőt termelnek vagy igényelnek. A lézersugarak fénysebességgel, több mint 670 millió mérföld per órával haladnak, ami a leggyorsabb dolog az univerzumban.
Hogyan állítja elő egy lézer a Föld leglassabb dolgát?
Először is fontos megérteni a kapcsolatot egy tárgy hőmérséklete és sebessége között. Minél melegebb valami, annál több energiával rendelkezik, és annál gyorsabban mozog. Még a látszólag tökéletesen mozdulatlan dolgok – mondjuk egy toll vagy a jegyzetfüzeted – sem azok. Mikroszkopikus szinten a részecskék, amelyekből állnak, gyorsan mozognak. Ez még az élőlényekre is igaz.
Mutatunk példát a lajhárra. Ha ráközelítünk a molekulákra, amelyek ennek a híresen lassú állatnak a testét alkotják, azt látjuk, hogy úgy viselkednek, mint az ugrálóvárban ugráló gyerekek. Hogy miért? Ennek az élőlénynek a testének körülbelül 70%-át víz alkotja, és ezek a vízmolekulák több száz mérföld per órával ugrálnak.
Lézeres hűtés
Miatt meglepőnek tűnhet, hogy fényes, intenzív lézereket használok a dolgok hűtésére a laboratóriumi kísérleteimben. Fizikus vagyok, akit az érdekel, hogyan viselkednek az atomok és a molekulák a leghidegebb hőmérsékleten. Ez egy furcsa világ, ahol a kvantummechanika uralkodik. Ebben a birodalomban a részecskék néha úgy viselkednek, mint az óceán hullámai, és ha hiszed, ha nem, néha egyszerre két különböző helyen is lehetnek.
Azért, hogy ezt a rendkívüli viselkedést tanulmányozzam, lézerrel állítok elő frigid atomfelhőket, amelyek a leghidegebb dolgok a Földön – ezeket nevezzük Bose-Einstein kondenzátumoknak. Amikor lehűtünk egy csomó atomot majdnem abszolút nullára, a lehető leghidegebb hőmérsékletre, az atomok elkezdenek engedelmeskedni a kvantummechanikának, és meglepő módon viselkednek.
Az ultrahideg atomfelhők tanulmányozása nyomokat adhat más furcsa anyagok, például a szupravezetők működéséhez. A szupravezetők sokkal jobban vezetik az elektromosságot, mint a létező anyagok, olyan jól, hogy egy nap talán szupergyors vonatok építésére is felhasználhatóak lesznek.
Creating the slowest thing on Earth
Hogyan hűti le pontosan a lézer az atomok felhőjét? A laboratóriumban azzal kezdjük, hogy lézerrel világítunk egy ezüstös-fehér fém, az ytterbium atomjaira. Ezeket az atomokat, amelyek nagyon forróak, egy 1 láb széles kamrában tartjuk. Néhány másodperc múlva azonban a lézersugár alatt lehűlnek, lelassulnak, és a kamra közepén csapdába esnek.
Hogyan történik ez? Minden fény, beleértve a lézert is, fotonokból áll, amelyek folyamatosan mozgó energiacsomagok. Amikor egy lézerrel világítunk a kamránkba, az atomok összeütköznek a sugárban lévő fotonáramokkal, lelassulnak és lehűlnek – mintha az történne, ha megpróbálnánk nagyon gyorsan futni egy erős széllel szemben.
Ezek a kis ütközések az atomfelhő hőmérsékletét az abszolút nulla fok fölé mindössze néhány milliomod fokkal csökkentik. Ez 459 fokkal kevesebb, mint 0 Fahrenheit-fok.
De ez még mindig nem elég ahhoz, hogy ez a felhő elnyerje a Föld leglassabb dolgának járó díjat. Még egy utolsó lépés kell ahhoz, hogy egy kicsit hidegebb legyen, egy technika, amit mi, fizikusok “párolgó hűtésnek” nevezünk.
Először is, az összes atomot befogjuk, néha mágneses mezőt használunk, amit úgy hozunk létre, hogy elektromosságot vezetünk át egy feltekert dróton. Ez egy láthatatlan kutat hoz létre, amely megtartja az atomokat: Képzeljük el, ahogy a golyók egy tál alján ülnek. Ezután ennek a tál alakú erőtérnek az oldalait leengedjük a dróton átfolyó elektromos áram csökkentésével. Ez lehetővé teszi, hogy a gyorsabb, melegebb atomok kirobbanjanak a “tálból”, és kiszabaduljanak a csapdából.
Csak a lassabb atomok maradnak hátra – és ők valóban a fagyponton túl vannak: egy tizedmilliomod fokkal az abszolút nulla fölött. Az atomok ebben a felhőben lassú mozgásban mozognak: Ha pattogás helyett egyenes vonalban haladnának, egy egész órába telne, amíg egy szobán keresztül haladnának. Összehasonlításképpen, a testünkben lévő molekulák a másodperc töredéke alatt száguldanának át a szobán.
A fagyos atomfelhőnk atomjai szó szerint kevesebb, mint egy csigalassúsággal mozognak – és ez a felhő a leglassabb dolog a Földön.
Helló, kíváncsi gyerekek! Van egy kérdésetek, amire szeretnétek egy szakértőtől választ kapni? Kérj meg egy felnőttet, hogy küldje el a kérdésedet a [email protected] címre. Kérjük, írd meg a neved, életkorod és a várost, ahol élsz.
És mivel a kíváncsiságnak nincs korhatára – felnőttek, ti is írjátok meg, hogy mire vagytok kíváncsiak. Nem fogunk tudni minden kérdésre válaszolni, de igyekszünk majd mindent megtenni.