Jak niska może być temperatura?
Jednym z najdonioślejszych odkryć fizyki dziewiętnastego wieku było zrozumienie, że temperatura związana jest z ruchem atomów i cząsteczek. Im szybciej atomy i cząsteczki poruszają się w materii, tym jest ona gorętsza. Myśl ta prowadzi w naturalny sposób do idei najniższej możliwej temperatury, zwanej zerem bezwzględnym, odpowiadającej sytuacji, w której atomy przestają się po prostu poruszać (w mechanice kwantowej definicja ta ulega nieznacznej modyfikacji: zamiast zerowej prędkości, atomy w zerze bezwzględnym znajdują się w stanie o najniższej możliwej energii). Zero bezwzględne odpowiada temperaturze — 273 stopni Celsjusza lub —456 stopni Fahrenheita i niskie temperatury mierzymy, określając, jak blisko dochodzą one do tej wartości.
Jest wiele sposobów otrzymywania niskich temperatur. Można na przykład odparować ciecz, by odprowadzić ciepło od czegoś (tak dzieje się, gdy ludzie się pocą), lub nagle rozprężyć gaz (to jest przyczyna ochładzania się pojemnika pod ciśnieniem, z którego coś przez chwilę rozpylamy). Takie standardowe mechaniczne techniki stosowane były do obniżenia temperatury do kilku stopni powyżej zera bezwzględnego. W tym punkcie atomy poruszają się już bardzo leniwie, lecz spowolnić je jeszcze bardziej jest już niezwykle trudno.
W tym marszu ku niskim temperaturom przełom dokonał się w latach 80., gdy naukowcy przyswoili sobie umiejętność utrzymywania w pułapkach magnetycznych niewielkich grup atomów i manipulowania nimi za pomocą laserów. O technice tej mówiono potocznie jako o „atomowym syropie”, a dotyczy ona pewnych zabawnych forteli z użyciem laserów. Oto jak to działa. Grupka atomów złapana jest w polu magnetycznym. Atomy te mają niską temperaturę, ale ciągle jeszcze trochę się ruszają. Światło laserowe oświetla atomy z wielu różnych kierunków, zalewając je strumieniami fotonów. Atomy poruszające się w kierunku fotonów będą je widzieć przesunięte ku fioletowi (a wobec tego o większej energii), podczas gdy atomy uciekające od fotonów zobaczą je przesunięte ku czerwieni (zatem o energii mniejszej). Trik polega na tym, by tak dostosować energię fotonów, żeby mogły je pochłaniać atomy szybko od nich uciekające, a inne atomy nie. W rezultacie częstotliwości promieniowania lasera są tak dobrane, by jedynie atomy poruszające się ze stosunkowo dużymi prędkościami absorbowały fotony.
Gdy już atom pochłonął fotony, ich energia rozkłada się w całym atomie i w końcu zostaje wypromieniowana. Wypromieniowywana jest jednakże we własnej częstotliwości absorpcyjnej atomu. Oznacza to takie oszukiwanie atomów za pomocą laserów, że pochłaniają one fotony o niskiej energii, wypromieniowują zaś fotony o energii wyższej. Ten deficyt energii musi być czymś uzupełniony, a jedynym źródłem jest energia ruchu samego atomu. Wskutek tego atom, który przeszedł przez ten mały taniec z fotonami lasera, porusza się w końcu bardzo powoli. Nie jest ważne, w którą stronę atom zdąża, zawsze dogonią go jakieś fotony, które pochłonie, a to spowolni jego ruch. Z punktu widzenia atomu jest to jakby usiłowanie poruszania się w morzu syropu.
Poprzez stopniowe dostrajanie laserów możliwe jest takie spowolnienie atomów, że w końcu otrzymujemy zbiór atomów o temperaturze kilku milionowych stopnia powyżej zera bezwzględnego. Były to do niedawna najniższe temperatury kiedykolwiek osiągnięte (powinienem wspomnieć, że w pewnych szczególnych układach mogą być uzyskane nawet niższe „temperatury”, lecz wymaga to dość specyficznej definicji temperatury).
W 1995 roku naukowcy z National Institutes of Standards and Technology (NIST) odkryli sposób uzyskiwania jeszcze niższych temperatur. Rozpoczęli od zbioru złapanych atomów cezu, spowolnionych w sposób opisany powyżej. Następnie tak wyregulowali lasery, by fale świetlne utworzyły ciąg dolin. Wyobraźmy sobie atomy jako zbiór kulek toczących się po stole, i światło laserowe tworzące ciągi dolin i wzgórz na powierzchni stołu. Atomy cezu spowalniane są do momentu, aż wpadną w doliny. Gdy zostały już w ten sposób złapane, lasery przestraja się tak, by doliny zaczęły stopniowo poszerzać się i wygładzać. Kiedy to nastąpi, atomy zaczynają uciekać z dolin – w istocie zbiór atomów rozchodzi się na wszystkie strony.
I tak jak pojemnik ciśnieniowy staje się zimniejszy, gdy rozpręża się gaz w nim znajdujący, tak również oziębia się zbiór atomów. Nadmiar energii zostaje wypromieniowany i w ten sposób osiągane są temperatury w zakresie setek miliardowych części stopnia powyżej zera bezwzględnego. W pierwszych takich doświadczeniach osiągano temperatury około 700 miliardowych stopnia powyżej zera bezwzględnego, ale wartość ta obniżyła się już do 30 miliardowych stopnia i będzie spadać nadal.
Jednak bez względu na to, jak niską temperaturę możemy wytworzyć, obojętnie, jak bardzo potrafimy spowolnić atomy, i niezależnie od tego, jak wiele wymyślimy sprytnych trików, nigdy w istocie nie osiągniemy zera bezwzględnego. Wynika to z niejasnego prawa fizyki zwanego trzecią zasadą termodynamiki. Zero bezwzględne okazuje się – podobnie jak prędkość światła – niewzruszoną granicą w przyrodzie, do której możemy się zbliżać, lecz której nigdy nie osiągniemy.