Curious Kids to seria dla dzieci w każdym wieku. Jeśli masz pytanie, na które chciałbyś, aby odpowiedział ekspert, wyślij je na adres [email protected].
Jaka jest najwolniejsza rzecz na Ziemi? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
Słowami niesławnego złoczyńcy, Dr. Evila: „Lasery”.
Lasery skupiają wąską, ukierunkowaną wiązkę światła na konkretny punkt, co czyni je świetnym narzędziem do cięcia, palenia, spawania – lub w przypadku Dr. Evila, strzelania do wrogów ze szczytu rekina. Wszystkie te czynności wytwarzają lub wymagają ciepła. Wiązki laserowe podróżują z prędkością światła, ponad 670 milionów mil na godzinę, co czyni je najszybszymi rzeczami we wszechświecie.
Jak więc laser wytwarza najwolniejszą rzecz na Ziemi?
Po pierwsze, ważne jest, aby zrozumieć związek między temperaturą obiektu a jego prędkością. Im coś jest gorętsze, tym więcej ma energii i tym szybciej się porusza. Nawet rzeczy, które wydają się być całkowicie nieruchome – na przykład długopis lub twój notatnik – nie są. Na poziomie mikroskopowym cząsteczki, z których są zbudowane, poruszają się bardzo szybko. Dotyczy to nawet istot żywych.
Użyjmy leniwca jako przykładu. Jeśli zbliżysz się do cząsteczek, które tworzą to słynne powolne ciało zwierzęcia, zobaczysz, że zachowują się jak dzieci skaczące dookoła wewnątrz dmuchanego domu. Dlaczego? Około 70% ciała tego stworzenia składa się z wody i te cząsteczki wody odbijają się z prędkością setek mil na godzinę.
Chłodzenie laserowe
Więc może wydawać się zaskakujące, że używam jasnych, intensywnych laserów do chłodzenia rzeczy w moich eksperymentach laboratoryjnych. Jestem fizykiem, który interesuje się tym, jak atomy i cząsteczki zachowują się w najzimniejszych temperaturach. Jest to dziwny świat, w którym rządzi mechanika kwantowa. W tej sferze cząsteczki czasami zachowują się jak fale w oceanie i wierzcie lub nie, czasami mogą być w dwóch różnych miejscach w tym samym czasie.
Aby zbadać to niezwykłe zachowanie, używam laserów do wytwarzania chmur oziębionych atomów, które są najzimniejszymi rzeczami na Ziemi – nazywamy je kondensatami Bosego-Einsteina. Kiedy schładzasz grupę atomów do niemal zera absolutnego, najzimniejszej możliwej temperatury, atomy zaczynają przestrzegać mechaniki kwantowej i zachowywać się w zaskakujący sposób.
Badanie ultrazimnych chmur atomów może dostarczyć wskazówek na temat tego, jak działają inne dziwne materiały, takie jak nadprzewodniki. Nadprzewodniki przenoszą elektryczność znacznie lepiej niż istniejące materiały, tak dobrze, że mogą kiedyś zostać użyte do budowy superszybkich pociągów.
Tworzenie najwolniejszej rzeczy na Ziemi
Więc jak dokładnie lasery schładzają chmurę atomów? W laboratorium zaczynamy od świecenia laserami na atomy srebrzysto-białego metalu zwanego iterbem. Te atomy, które są naprawdę gorące, są trzymane wewnątrz komory o szerokości 1 stopy. Ale po kilku sekundach pod wiązką lasera, ochładzają się, zwalniają i zostają uwięzione razem w centrum komory.
Jak to się dzieje? Wszystkie światła, w tym laser, składa się z fotonów, które są pakietami energii, które są w ciągłym ruchu. Kiedy świecimy laserem do naszej komory, atomy zderzają się ze strumieniami fotonów w wiązce, zwalniają i stają się zimniejsze – tak jak by to się stało, gdybyś próbował biec naprawdę szybko pod silny wiatr.
Te małe zderzenia obniżają temperaturę chmury atomów do zaledwie kilku milionowych części stopnia powyżej zera absolutnego. To jest 459 stopni poniżej 0 stopni Fahrenheita.
Ale to wciąż za mało, by dać tej chmurze nagrodę za bycie najwolniejszą rzeczą na Ziemi. Potrzebny jest ostatni krok, aby uczynić ją nieco zimniejszą, technika, którą my fizycy nazywamy „chłodzeniem ewaporacyjnym”.
Po pierwsze, wychwytujemy wszystkie atomy, czasami używając pola magnetycznego wytworzonego przez przepuszczenie prądu przez zwinięty drut. Tworzy to niewidzialną studnię, która utrzymuje atomy: Wyobraź sobie kuleczki siedzące na dnie miski. Następnie obniżamy boki tego pola siłowego w kształcie miski, zmniejszając natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez drut. To pozwala szybszym, cieplejszym atomom na powiększenie „miski” i ucieczkę z pułapki.
Tylko wolniejsze atomy pozostają w tyle – i są one naprawdę poza zamrożeniem: jedna dziesiąta jednej milionowej stopnia powyżej zera bezwzględnego. Atomy w tej chmurze poruszają się w zwolnionym tempie: Gdyby poruszały się w linii prostej, zamiast odbijać się od siebie, podróż przez pokój zajęłaby im całą godzinę. Dla porównania, molekuły w twoim ciele mogłyby przemierzyć ten pokój w ułamku sekundy.
Atomy w naszej chłodnej chmurze atomów dosłownie poruszają się w tempie mniejszym niż ślimak – a ta chmura jest najwolniejszą rzeczą na Ziemi.
Witajcie, ciekawskie dzieci! Czy macie jakieś pytanie, na które chcielibyście, aby odpowiedział wam ekspert? Poproś osobę dorosłą, aby wysłała Twoje pytanie na adres [email protected]. Podaj nam swoje imię, wiek i miasto, w którym mieszkasz.
A ponieważ ciekawość nie ma ograniczeń wiekowych – dorośli, dajcie nam znać, nad czym też się zastanawiacie. Nie będziemy w stanie odpowiedzieć na każde pytanie, ale zrobimy co w naszej mocy.