C Curious Kids is een serie voor kinderen van alle leeftijden. Als je een vraag hebt die je graag door een expert beantwoord wilt zien, stuur hem dan naar [email protected].
Wat is het langzaamste ding op aarde? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
In de woorden van de beruchte schurk, Dr. Evil: “Lasers.”
Lasers richten een smalle, gerichte lichtstraal op een specifieke plek, waardoor ze een geweldig gereedschap zijn om te snijden, branden, lassen – of in het geval van Dr. Evil, vijanden neerschieten vanaf de top van een haai. Deze activiteiten produceren of vereisen allemaal warmte. Laserstralen reizen met de snelheid van het licht, meer dan 670 miljoen mijl per uur, waardoor ze het snelste ding in het universum zijn.
Hoe produceert een laser dan het langzaamste ding op aarde?
In de eerste plaats is het belangrijk om de relatie tussen de temperatuur van een object en zijn snelheid te begrijpen. Hoe heter iets is, hoe meer energie het heeft en hoe sneller het beweegt. Zelfs dingen die volkomen stil lijken te liggen – bijvoorbeeld een pen of uw notitieblok – zijn dat niet. Op microscopisch niveau bewegen de deeltjes waaruit ze bestaan snel. Dit is zelfs waar voor levende wezens.
Laten we de luiaard als voorbeeld nemen. Als je inzoomt op de moleculen waaruit het lichaam van dit beroemde trage dier is opgebouwd, zie je dat ze zich gedragen als kinderen die rondspringen in een springkussen. Waarom? Ongeveer 70% van het lichaam van dit schepsel bestaat uit water en die watermoleculen stuiteren rond met honderden kilometers per uur.
Laserkoeling
Het kan dus verrassend lijken dat ik felle, intense lasers gebruik om dingen af te koelen in mijn laboratoriumexperimenten. Ik ben een fysicus die geïnteresseerd is in hoe atomen en moleculen zich gedragen bij de allerlaagste temperaturen. Het is een vreemde wereld waarin de kwantummechanica regeert. In dit rijk gedragen deeltjes zich soms als golven in de oceaan, en geloof het of niet, ze kunnen soms op twee verschillende plaatsen tegelijk zijn.
Om dit buitengewone gedrag te bestuderen, gebruik ik lasers om wolken van ijskoude atomen te produceren die de koudste dingen op aarde zijn – die we Bose-Einstein condensaten noemen. Wanneer je een groep atomen afkoelt tot bijna het absolute nulpunt, de koudst mogelijke temperatuur, beginnen atomen te gehoorzamen aan de kwantummechanica en zich op verrassende manieren te gedragen.
De bestudering van ultrakoude atoomwolken kan aanwijzingen opleveren over hoe andere vreemde materialen, zoals supergeleiders, werken. Supergeleiders transporteren elektriciteit veel beter dan bestaande materialen, zo goed dat ze ooit kunnen worden gebruikt om supersnelle treinen te bouwen.
Het langzaamste ding op aarde
Hoe koelen lasers nu precies een wolk atomen af? In het laboratorium beginnen we met het beschijnen van lasers op atomen van een zilverwit metaal dat ytterbium heet. Deze atomen, die erg heet zijn, worden vastgehouden in een kamer van een meter breed. Maar na een paar seconden onder de laserstraal, koelen zij af, vertragen en raken samen opgesloten in het centrum van de kamer.
Hoe gebeurt dit? Alle licht, ook een laser, bestaat uit fotonen, dat zijn pakketjes energie die voortdurend in beweging zijn. Als we een laser in onze kamer schijnen, botsen de atomen met de fotonenstromen in de bundel en worden ze langzamer en kouder – zoals zou gebeuren als je heel hard tegen een sterke wind in zou rennen.
Deze kleine botsingen brengen de temperatuur van de atoomwolk omlaag tot slechts een paar miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt. Dat is 459 graden onder 0 graden Fahrenheit.
Maar dat is nog niet genoeg om deze wolk de prijs voor het langzaamste ding op aarde te geven. Er is nog een laatste stap nodig om hem nog wat kouder te maken, een techniek die wij natuurkundigen “verdampingskoeling” noemen.
Eerst vangen we alle atomen op, soms met een magnetisch veld dat ontstaat door elektriciteit door een opgewonden draad te laten lopen. Dit creëert een onzichtbare put die de atomen vasthoudt: Stel je knikkers voor die op de bodem van een kom liggen. Dan laten we de zijkanten van dit komvormige krachtveld zakken door de elektrische stroom die door de draad loopt te verminderen. Daardoor kunnen de snellere, warmere atomen uit de “kom” zoomen en aan de val ontsnappen.
Alleen de langzamere atomen blijven achter – en die zijn echt voorbij het vriespunt: een tiende van een-miljoenste graad boven het absolute nulpunt. De atomen in deze wolk bewegen in slow motion: Als ze in een rechte lijn zouden reizen in plaats van rond te stuiteren, zouden ze een heel uur nodig hebben om een kamer door te reizen. Ter vergelijking: de moleculen in je lichaam kunnen die kamer in een fractie van een seconde doorkruisen.
De atomen in onze ijskoude atoomwolk bewegen letterlijk met minder dan een slakkengangetje – en die wolk is het langzaamste ding op aarde.
Hallo, nieuwsgierige kinderen! Heb je een vraag die je door een expert beantwoord wilt zien? Vraag een volwassene om je vraag naar [email protected] te sturen. Vertel ons je naam, leeftijd en de stad waar je woont.
En omdat nieuwsgierigheid geen leeftijdsgrens heeft – volwassenen, laat ons weten wat je je afvraagt, ook. We zullen niet elke vraag kunnen beantwoorden, maar we zullen ons best doen.