Próby osiągnięcia najniższej temperatury

Jednym z najdonioślejszych odkryć fizyki dziewiętnastego wieku było zrozumienie, że temperatura związana jest z ruchem atomów i cząsteczek. Im szybciej atomy poruszają się w materii, tym jest ona gorętsza(jest to wyjaśnienie ogólne, fizyka zna jednak wyjątki od tego twierdzenia). 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 znajdują się w stanie o najniższej możliwej energii). Zero bezwzględne odpowiada temperaturze około –273oC lub –456oFh i niskie temperatury mierzymy określając, jak blisko dochodzą to tej wartości.
Jest wiele sposobów otrzymywania niskich temperatur. Można na przykład odparowywać ciecz, by odprowadzić ciepło od czegoś (podobnie się dzieje, gdy ludzie się pocą), lub nagle rozprężyć gaz (jest to przyczyna ochładzania się pojemnika pod ciśnieniem, którego coc przez chwilę rozpylamy, np. dezodorant). Takie standardowe mechaniczne techniki były stosowane do obniżania temperatury do kilku stopni powyżej zera bezwzględnego. W tym momencie atomy poruszają się już bardzo leniwie, lecz spowolnić je jeszcze bardzie jest strasznie trudno.
W tym marszu ku niskim temperaturom przełom nastąpił 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 działa. Grupka atomów złapana jest w polu magnetycznym. Atomy te mają niską temperaturę, ale ciągle jeszcze trochę się poruszają. Światło laserowe oświetla atomy z wielu 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, żeby tak dostosować energię fotonów, żeby mogły ją pochłaniać atomy tylko od nich uciekające, a inne atomy nie. W rezultacie częstotliwości promieniowania lasera są tak dobrane, by atomy poruszające się ze stosunkowo dużymi prędkościami absorbowały fotony.
Gdy już atom pochłonął fotony, ich energia rozkłada się w całym atomie i zostaje w końcu wypromieniowana. Wypromieniowywana jest jednak we własnej częstotliwości absorpcyjnej atomu. Oznacza to takie oszukiwanie atomów za pomocą laserów, aby pochłaniały one tylko fotony o niskiej energii, a wypromieniowywały zaś fotony o energii wyższej. Ten deficyt energii musi być czymś uzupełniony, a jedynym źródłem energii jest energia ruchu samego atomu. W efekcie, po takiej kuracji laserowej atom jest dodatkowo spowolniony. Nie jest ważne w którą stronę atom zdąża i tak dosięgną go jakieś fotony, których energię pochłonie, co spowolni jego ruch.
Poprzez stopniowe dostrajanie laserów możliwe jest takie spowolnienie atomów, że w końcu otrzymujemy zbiór, o temperaturze kilku milionowych stopnia wyższej od zera bezwzględnego. Były to do niedawna najniższe osiągane temperatury ( w pewnych specyficznych układach możliwe było osiągnięcie nawet niższych temperatur, lecz wymagało by to zrobienia specyficznej definicji temperatury, o czym nie piszę bo nie bardzo to rozumiem, a chyba nie na tym to ma polegać)
W 1995r. Naukowcy z National Institutes of Standard and Technology odkryli sposób uzyskania jeszcze niższych temperatur. Rozpoczęli od zbioru złapanych cząsteczek cezu, spowolnionych w sposób opisany powyżej, następnie tak wyregulowali lasery, aby fale świetlne tworzyły ciąg dolin. Wyobraźmy sobie atomy, jako zbiór kulek toczących się po stole i światło laserowe tworzące ciągi dolin na tym stole. Atomy cezu spowalniane są, aż do momentu, jak wpadną do wejścia do doliny, następnie lasery przestraja się tak, aby te doliny ulegały stopniowemu wygładzeniu, po wyjściu z dolin atomy rozejdą się na wszystkie strony. I tak jak pojemnik ciśnieniowy staję się zimniejszy w miarę rozprężania, tak atomy tracą swoją energię przy wyjściu z dolin. Nadmiar energii zostaje wypromieniowany, a w sposób ten osiągane są temperatury rzędu 700 miliardowych stopnia powyżej zera bezwzględnego, choć według ostatnich badań, jeszcze nie potwierdzonych udało się uzyskać tą metodą temperaturę, rzędu 30 miliardowych stopnia powyżej zera i wszystko wskazuje na to, będzie ona nadal spadać.
Jednak bez względu na to, jak niskie temperatury uda nam się osiągać, obojętnie, jak bardzo uda nam się spowolnić atomy w istocie nigdy nie osiągniemy temperatury zera bezwzględnego. Wynika to z niejasnego dla mnie prawa fizyki zwanego III zasadą termodynamiki. Zero bezwzględne podobnie, jak prędkość światła pozostają nienaruszalną granicą, do której możemy się zbliżyć, ale jej nie osiągniemy.