Curious Kids är en serie för barn i alla åldrar. Om du har en fråga som du vill att en expert ska besvara kan du skicka den till [email protected].
Vad är den långsammaste saken på jorden? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
Med den ökända skurken Dr Evil:Lasers.
Lasrar fokuserar en smal, riktad ljusstråle på en specifik punkt, vilket gör dem till ett utmärkt verktyg för att skära, bränna, svetsa – eller i Dr. Evils fall, skjuta fiender från toppen av en haj. Alla dessa aktiviteter producerar eller kräver värme. Laserstrålar färdas med ljusets hastighet, mer än 670 miljoner kilometer i timmen, vilket gör dem till det snabbaste i universum.
Så hur producerar en laser den långsammaste saken på jorden?
Först är det viktigt att förstå förhållandet mellan ett föremåls temperatur och dess hastighet. Ju varmare något är, desto mer energi har det och desto snabbare rör det sig. Även saker som verkar vara helt stilla – till exempel en penna eller din anteckningsbok – är det inte. På en mikroskopisk nivå rör sig partiklarna som de består av snabbt. Detta gäller till och med levande varelser.
Låt oss använda sengångaren som ett exempel. Om du zoomar in på de molekyler som utgör detta berömda långsamma djurs kropp ser du hur de beter sig som barn som hoppar runt i en hoppborg. Varför? Omkring 70 procent av den här varelsens kropp består av vatten och dessa vattenmolekyler studsar runt med hundratals kilometer i timmen.
Laserkylning
Det kan tyckas förvånande att jag använder ljusa, intensiva lasrar för att kyla ner saker i mina laboratorieexperiment. Jag är en fysiker som är intresserad av hur atomer och molekyler beter sig vid de allra kallaste temperaturerna. Det är en märklig värld där kvantmekaniken styr. I denna värld beter sig partiklar ibland som vågor i havet, och tro det eller ej, de kan ibland befinna sig på två olika ställen samtidigt.
För att studera detta extraordinära beteende använder jag lasrar för att producera moln av iskalla atomer som är de kallaste sakerna på jorden – som vi kallar Bose-Einstein-kondensat. När man kyler ner ett gäng atomer till nästan absolut noll, den kallaste möjliga temperaturen, börjar atomerna lyda kvantmekaniken och beter sig på överraskande sätt.
Studier av ultrakalla atommoln kan ge ledtrådar om hur andra konstiga material, som supraledare, fungerar. Supraledare leder elektricitet mycket bättre än befintliga material, så bra att de kanske en dag kan användas för att bygga superhöghastighetståg.
Skapa den långsammaste saken på jorden
Hur exakt kyler lasrar ner ett moln av atomer? I labbet börjar vi med att lysa med laser på atomer av en silvervit metall som kallas ytterbium. Dessa atomer, som är riktigt heta, hålls inne i en tre meter bred kammare. Men efter några sekunder under laserstrålen svalnar de, blir långsammare och fastnar tillsammans i kammarens mitt.
Hur sker detta? Allt ljus, inklusive en laser, består av fotoner, som är energipaket som ständigt är i rörelse. När vi lyser in en laser i vår kammare kolliderar atomerna med strömmarna av fotoner i strålen och blir långsammare och kallare – som det som skulle hända om du försökte springa riktigt fort mot en stark vind.
Dessa små kollisioner får temperaturen i atommolnet att sjunka till bara några miljondels grader över den absoluta nollpunkten. Det är 459 grader under 0 grader Fahrenheit.
Men det räcker fortfarande inte för att ge detta moln priset för att vara det långsammaste på jorden. Det krävs ett sista steg för att göra det bara lite kallare, en teknik som vi fysiker kallar ”evaporativ kylning”.
Först fångar vi alla atomer, ibland med hjälp av ett magnetfält som skapas genom att låta elektricitet löpa genom en upprullad tråd. Detta skapar en osynlig brunn som håller kvar atomerna: Föreställ er kulor som ligger på botten av en skål. Sedan sänker vi sidorna av detta skålformade kraftfält genom att minska den elektriska strömmen som löper genom tråden. Det gör det möjligt för de snabbare, varmare atomerna att zooma ut ur ”skålen” och undkomma fällan.
Endast de långsammare atomerna lämnas kvar – och de är verkligen bortom frysning: en tiondels miljondels miljondels grad över den absoluta nollpunkten. Atomerna i detta moln rör sig i långsam rörelse: Om de rörde sig i en rak linje i stället för att studsa runt, skulle det ta dem en hel timme att färdas genom ett rum. Som jämförelse skulle molekylerna i din kropp kunna rusa genom rummet på bara en bråkdel av en sekund.
Atomer i vårt iskalla atommoln rör sig bokstavligen i mindre än snigelfart – och detta moln är det långsammaste som finns på jorden.
Hej, nyfikna barn! Har ni en fråga som ni vill att en expert ska besvara? Be en vuxen att skicka din fråga till [email protected]. Uppge ditt namn, din ålder och staden där du bor.
Och eftersom nyfikenhet inte har någon åldersgräns – vuxna, låt oss veta vad ni också undrar. Vi kommer inte att kunna svara på alla frågor, men vi kommer att göra vårt bästa.