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地球上で一番遅いものは何でしょう？ – Jiwon, Brookline, Massachusetts
悪名高い悪役、ドクターイーブルの言葉を借りれば、”レーザー “です。
レーザーは、狭い指向性のある光線を特定の場所に集中させるので、切断、燃焼、溶接、あるいはドクターイビルの場合はサメの上から敵を撃つのに最適なツールです。 しかし、このような活動には熱が必要である。
では、レーザーはどのようにして地球上で最も遅いものを作り出すのでしょうか？
まず、物体の温度とその速度の関係を理解することが重要です。 高温のものほどエネルギーが多く、速く動きます。 たとえば、ペンやノートなど、完全に静止しているように見えるものでも、そうではありません。 ミクロの世界では、その物体が構成する粒子が高速で動いているのです。 これは生物にさえ当てはまる。
ナマケモノを例にとってみよう。 この遅いことで有名な動物の体を構成する分子を拡大してみると、まるでバウンドハウスの中で飛び跳ねる子供のように振舞っているのがわかるだろう。 なぜだろう？
レーザーによる冷却
ですから、私が実験室で物を冷却するために明るく強いレーザーを使っていることは、意外に思われるかもしれません。 私は物理学者であり、原子や分子が極低温でどのように振る舞うかに興味を持っています。 そこは、量子力学が支配する不思議な世界です。 この領域では、粒子は時に海の波のように振る舞い、信じられないかもしれませんが、時には同時に2つの異なる場所にいることができるのです。
この驚くべき振る舞いを研究するために、私はレーザーを使って、地球上で最も冷たい原子の雲を作り出し、それをボーズ-アインシュタイン凝縮と呼んでいます。 原子の束を可能な限り低温のほぼ絶対零度まで冷やすと、原子は量子力学に従い始め、驚くべき振る舞いをするようになるのです。
超低温の原子雲を研究することは、超伝導体のような他の奇妙な物質がどのように機能するかについての手がかりを与えてくれるかもしれません。 超伝導体は、既存の材料よりもはるかによく電気を運び、いつか超高速列車を作るのに使われるかもしれません。
Creating the slowest thing on Earth
では、レーザーが原子の雲を冷やすのは、具体的にどのように行うのでしょうか。 研究室では、まずイッテルビウムという銀白色の金属の原子にレーザーを当てます。 この原子は非常に高温で、幅1フィート（約1.5メートル）の容器の中に入れておきます。 しかし、レーザー光線の下で数秒経つと、原子は冷え、速度が低下し、チャンバーの中心で一緒に捕捉されるようになるのです。
どうしてこのようなことが起こるのでしょうか？ レーザーを含むすべての光は光子でできています。光子は常に動いているエネルギーの塊です。 この小さな衝突によって、原子雲の温度は、絶対零度より数百万分の1度高いところまで下がります。 これは華氏0度より459度低い温度です。
しかし、この雲が地球上で最も遅いものであるという賞を与えるにはまだ十分ではありません。 物理学者が「蒸発冷却」と呼ぶ手法で、ほんの少し冷たくするための最後のステップが必要なのです。
まず、すべての原子を捕獲します。時には、巻き上げた針金に電気を流して作った磁場を使います。 そうすると、原子を保持する目に見えない井戸ができます。 お椀の底にあるビー玉を想像してください。 次に、電線に流す電流を小さくして、このお椀型の力場の側面を下げます。 そうすると、より速く、より温かい原子が「ボウル」から飛び出して、罠から逃れることができるのです。
遅い原子だけが取り残され、彼らは本当に氷点下を超えた状態、つまり絶対零度の100万分の1度の高さにいます。 この雲の中の原子はスローモーションで動いています。 この雲の中の原子はスローモーションで動いている。もし、原子が跳ね回ることなく一直線に移動したら、部屋を横切るのに1時間かかるだろう。
この極寒の原子雲に含まれる原子は、文字通りカタツムリの速度以下で動いており、その雲は地球上で最も遅いものなのです。 専門家に答えてもらいたい質問がありますか？ 大人に頼んで、あなたの質問を [email protected] に送ってもらいましょう。 お名前、年齢、お住まいの都市名をお知らせください。
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