Curious Kids este o serie pentru copii de toate vârstele. Dacă aveți o întrebare la care ați dori să vă răspundă un expert, trimiteți-o la [email protected].
Ce este cel mai lent lucru de pe Pământ? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
În cuvintele infamului răufăcător, Dr. Evil: „Lasere.”
Laserii focalizează un fascicul de lumină îngust și direcționat pe un anumit punct, ceea ce îi face o unealtă excelentă pentru tăiere, ardere, sudare – sau, în cazul lui Dr. Evil, pentru a împușca inamicii din vârful unui rechin. Toate aceste activități produc sau necesită căldură. Razele laser se deplasează cu viteza luminii, cu peste 670 de milioane de mile pe oră, ceea ce le face să fie cel mai rapid lucru din univers.
Atunci cum produce un laser cel mai lent lucru de pe Pământ?
În primul rând, este important să înțelegem relația dintre temperatura unui obiect și viteza sa. Cu cât ceva este mai cald, cu atât mai multă energie are și cu atât se mișcă mai repede. Chiar și lucrurile care par a fi perfect nemișcate – de exemplu, un stilou sau caietul dumneavoastră – nu sunt. La un nivel microscopic, particulele din care sunt alcătuite se mișcă rapid. Acest lucru este valabil chiar și pentru ființele vii.
Să folosim leneșul ca exemplu. Dacă vă apropiați de moleculele care alcătuiesc corpul acestui faimos animal lent, le veți vedea comportându-se ca niște copii care sar în interiorul unei case gonflabile. De ce? Aproximativ 70% din corpul acestei creaturi este alcătuit din apă, iar acele molecule de apă țopăie cu sute de kilometri pe oră.
Refrigerarea cu laser
Așa că ar putea părea surprinzător faptul că folosesc lasere luminoase și intense pentru a răci lucrurile în experimentele mele de laborator. Sunt un fizician care este interesat de modul în care atomii și moleculele se comportă la cele mai scăzute temperaturi. Este o lume ciudată în care domină mecanica cuantică. În acest tărâm, particulele se comportă uneori ca niște valuri în ocean și, vă vine să credeți sau nu, se pot afla uneori în două locuri diferite în același timp.
Pentru a studia acest comportament extraordinar, folosesc lasere pentru a produce nori de atomi friguroși care sunt cele mai reci lucruri de pe Pământ – pe care noi îi numim condensate Bose-Einstein. Când răciți o grămadă de atomi până aproape de zero absolut, cea mai rece temperatură posibilă, atomii încep să se supună mecanicii cuantice și se comportă în moduri surprinzătoare.
Studierea norilor de atomi ultrafrizi ar putea oferi indicii despre modul în care funcționează alte materiale ciudate, cum ar fi superconductorii. Superconductorii transportă electricitatea mult mai bine decât materialele existente, atât de bine încât într-o zi ar putea fi folosiți pentru a construi trenuri de super viteză.
Crearea celui mai lent lucru de pe Pământ
Cum anume răcesc laserele un nor de atomi? În laborator, începem prin a îndrepta laserele spre atomii unui metal alb-argintiu numit ytterbium. Acești atomi, care sunt foarte fierbinți, sunt ținuți în interiorul unei camere cu o lățime de un metru. Dar, după câteva secunde sub fasciculul laser, aceștia se răcesc, încetinesc și rămân blocați împreună în centrul camerei.
Cum se întâmplă acest lucru? Toată lumina, inclusiv un laser, este alcătuită din fotoni, care sunt pachete de energie care se deplasează în mod constant. Când luminăm un laser în camera noastră, atomii se ciocnesc cu fluxurile de fotoni din fascicul și încetinesc și se răcesc – la fel ca ceea ce s-ar întâmpla dacă ați încerca să alergați foarte repede împotriva unui vânt puternic.
Aceste mici ciocniri aduc temperatura norului de atomi la doar câteva milionimi de grad peste zero absolut. Asta înseamnă 459 de grade sub 0 grade Fahrenheit.
Dar asta tot nu este suficient pentru ca acest nor să primească premiul de a fi cel mai lent lucru de pe Pământ. Este nevoie de un ultim pas pentru a-l face doar un pic mai rece, o tehnică pe care noi, fizicienii, o numim „răcire prin evaporare”.
În primul rând, capturăm toți atomii, uneori folosind un câmp magnetic realizat prin trecerea electricității printr-un fir înfășurat. Acest lucru creează un puț invizibil care reține atomii: Imaginați-vă bilele așezate pe fundul unui bol. Apoi, coborâm părțile laterale ale acestui câmp de forță în formă de castron prin diminuarea curentului electric care trece prin sârmă. Acest lucru permite atomilor mai rapizi și mai calzi să iasă din „bol” și să scape din capcană.
Numai atomii mai lenți sunt lăsați în urmă – și sunt cu adevărat dincolo de îngheț: o zecime de milionime de grad peste zero absolut. Atomii din acest nor se mișcă cu încetinitorul: Dacă s-ar deplasa în linie dreaptă în loc să ricoșeze, le-ar lua o oră întreagă să traverseze o cameră. Pentru comparație, moleculele din corpul vostru ar putea traversa acea cameră în doar o fracțiune de secundă.
Atomii din norul nostru atomic friguros se mișcă literalmente cu mai puțin decât un pas de melc – iar acest nor este cel mai lent lucru de pe Pământ.
Bună ziua, copii curioși! Aveți o întrebare la care ați dori să vă răspundă un expert? Cereți unui adult să vă trimită întrebarea la [email protected]. Te rugăm să ne spui numele tău, vârsta și orașul în care locuiești.
Și cum curiozitatea nu are limită de vârstă – adulți, spuneți-ne și voi ce vă întrebați. Nu vom putea răspunde la fiecare întrebare, dar vom face tot posibilul.
.