Evrenin en boş görünen vakumu bile aslında tamamen soğuk değil.
Yaklaşık 13.8 milyar yıl önce doğan Evren, o kadar sıcak ve yoğun bir durumdaydı ki, ardında bıraktığı artık radyasyon hala her köşesini dolduruyor.
Evrenin ortalama arka plan sıcaklığı yaklaşık 2.7 kelvin civarında seyrediyor. Bu, -270.45 santigrat dereceye veya -454.81 Fahrenheit dereceye denk geliyor.
Şimdi ise bilim insanları, bu sıcaklığın 280 milyar kat daha düşük bir eşdeğer sıcaklığa sahip bir madde elde ederek mutlak sıfıra yaklaşma yolunda insanlığın çabalarında önceki rekoru kırdı.
Dünya yörüngesindeki Çin'in Tiangong uzay istasyonunda görevli fizikçiler, sadece 9.7 pikokelvin – yani 0.0000000000097 kelvin – gibi rekor düzeyde düşük bir eşdeğer sıcaklığa ulaştı. Araştırmacılar, Science dergisinde yayımlanan makalelerinde, “bildiğimiz kadarıyla ölçülmüş en düşük eşdeğer sıcaklık bu” ifadesini kullanıyor.
Mutlak sıfır, yani sıfır kelvin, evrende bir cismin ulaşabileceği teorik en alt sıcaklık sınırıdır. Bu noktada, termal enerji fiziksel olarak daha fazla düşemez. Tıpkı ışık hızı gibi, fizik yasalarının asla aşamayacağı temel bir sınırdır.
Ancak ışık hızının aksine, mutlak sıfıra ulaşmak imkansızdır. Bilim insanları bu sınıra yaklaştıkça, kalan termal enerjiyi gidermek daha da zorlaşır ve bu sınıra ulaşmak tamamlanması mümkün olmayan bir soğutma süreci gerektirir.
Fizikçiler denemekten vazgeçmiyor ve yaklaştıkça maddenin davranışları daha da tuhaflaşıyor.
Bunun en iyi örneklerinden biri, bazı atomların mutlak sıfırın sadece kesirleri kadar soğutulduğunda oluşan egzotik bir madde hali olan Bose-Einstein yoğunlaşmasıdır.
Bu aşırı uçlarda, atomlar toplu halde davranmaya başlar; bireysel kuantum durumları tek, tutarlı bir bütünde birleşir. Artık ayrı parçacıklar topluluğu gibi davranmak yerine, neredeyse tek ve devasa bir kuantum nesnesi gibi işlev görürler.
Kuantum etkileri genellikle atomik ölçekte en belirgin olduğundan, Bose-Einstein yoğunlaşmaları, bilim insanlarının kuantum davranışını tek tek atomlarda gözlemlemeye çalışmak yerine çok daha büyük bir ölçekte incelemelerine olanak tanır.
Ayrıca, fiziksel dünyayı olağanüstü hassas bir şekilde ölçmek için de kullanılabilirler ve potansiyel olarak Evreni yöneten temel yasaları incelemeye yardımcı olabilirler.
Ancak Bose-Einstein yoğunlaşmaları elde etmek kolay değildir ve Dünya'da bu süreç yerçekimi gibi kaçınılmaz bir sınıra takılır; bu da atomları bu kadar aşırı uçlara soğutmayı giderek zorlaştırır.
Bu nedenle araştırmacılar deneylerini yerçekiminin çok daha az sorun teşkil edeceği bir yere taşıdı: uzaya.
Bu ilk değiller. NASA, 2018 yılında Uluslararası Uzay İstasyonu'nda yörüngede ilk Bose-Einstein yoğunlaşmasını oluşturarak bir rubidyum atomu bulutunu 100 nanokelvin'e kadar soğutmuştu.
O zamandan beri başkaları da bu sınırı daha da ileriye taşıdı. Almanya'nın Bremen Drop Kulesi'ndeki serbest düşüş deneyinde elde edilen 38 pikokelvinlik önceki rekor, 2021 tarihli bir makalede anlatılmıştı.
Pekin Üniversitesi'nden Xiaoji Zhou ve Xuzong Chen ile Çin Bilimler Akademisi'nden Weibiao Chen liderliğindeki yeni deney, soğutma sınırlarını daha da zorlamak için uzun süreli mikro yerçekimi ortamından faydalandı.
Daha önce pek çok araştırmacının yaptığı gibi, araştırmacılar lazerle soğutmaya ve Bose-Einstein yoğunlaşmaları oluşturmaya özellikle uygun bir element olan rubidyum-87 izotopunun bir bulutuyla başladılar.
Atomları, Soğuk Atom Fiziği Rafı adı verilen bir düzenekte optik bir tuzakta hapsettikten sonra lazerler kullanarak soğuttular.
Ardından, en enerjik atomların kaçmasına izin vererek kalan atomların daha az enerjiye sahip olmasını sağlayan buharlaşmalı soğutma adı verilen bir teknik uyguladılar. Bu, en enerjik moleküllerin buhar olarak kaçmasıyla kahvenizin soğumasına benzer.
Ancak burada yerçekimi tekrar bir sorun oldu. Dünya'da yerçekimi, kaçan atomları tuzaktan uzaklaştırmaya yardımcı olarak bu sürece katkıda bulunabilir. Her şeyin sürekli serbest düşüşte olduğu yörüngede ise bu yardım mevcut değil.
Dolayısıyla, yerçekiminden kurtulmak için uzaya giden araştırmacılar, yerçekimini yeniden yaratmanın bir yolunu bulmak zorunda kaldılar.
Bunu, en enerjik atomların daha verimli bir şekilde kaçmasına izin vererek yerçekiminin atomlar üzerindeki etkisini taklit eden bir manyetik alan gradyanı uygulayarak yaptılar.
Bu noktada deney, yaklaşık 20.000 rubidyum atomundan oluşan ve 3.1 nanokelvin sıcaklığa kadar soğutulmuş bir Bose-Einstein yoğunlaşması içeriyordu.
Ancak araştırmacılar durmadı.
Yoğunlaşmayı lazer ışığından yapılmış ikinci, daha geniş bir tuzağa aktardılar, ardından tuzağı yavaşça zayıflatarak atom bulutunun yayılmasına izin verdiler ve yayılırken salacağı enerjiyi azalttılar.
Son olarak, tuzağı tamamen kapattılar ve bulutun dağılmasını izlediler.
Öyle yavaş yayıldı ki, araştırmacılar salınmalarından yedi saniye sonra bile atomları tespit edebildiler.
Bulutun ne kadar hızlı yayıldığını ölçerek, ekip eşdeğer sıcaklığını hesapladı: rekor kıran 9.7 pikokelvin.
Bu, geleneksel sıcaklıkla tam olarak aynı şey değil. Eşdeğer sıcaklık, bulutun genişlemesiyle ilişkili enerjiyi tanımlar. Atomların ne kadar yavaş hareket ettiğini, bu hareketi enerjilerini belirlemek için kullanarak ve bu enerjiyi kelvin cinsinden ifade ederek görmek demektir.
Atom bulutlarını olağanüstü hassas ölçümler yapmak için kullanmak isteyen bilim insanları için bu ayrım önemlidir. Atomlar ne kadar yavaş dağılırsa, o kadar uzun süre gözlemlenebilir ve manipüle edilebilirler ve bu ölçümler o kadar hassas hale gelebilir.
Buradaki amaç sadece sıcaklık rekorları kırmak değil. Sonuç, gelecekteki araştırmalar için de oldukça heyecan verici imkanlar sunuyor.
Özellikle umut vaat eden bir uygulama, atomların dalga benzeri özelliklerinden yararlanarak çevrelerindeki olağanüstü küçük değişiklikleri ölçen atom interferometrisidir.
Atomları gözlemlemek için daha fazla zamanla, bilim insanları yerçekiminin tüm nesneleri kütleleri veya bileşimleri ne olursa olsun eşit şekilde etkilediği fikri olan eşdeğerlik ilkesi de dahil olmak üzere temel fizik yasalarını test etmek için daha hassas enstrümanlar inşa edebilirler.
Uzayda bu kadar ultrasoğuk kuantum gazları üretme yeteneği, araştırmacıların Dünya laboratuvarlarında incelenmesi zor egzotik madde hallerini de keşfetmelerine olanak tanıyabilir.
Araştırmacılar, “Bu tamamen optik ultrasoğuk platform… gelecekteki uzay görevlerinde kuantum simülasyonu ve hassas ölçüm için zorlu gereksinimleri karşılıyor ve böylece iki ana bilimsel sınırı ilerletmek için konumlandırılıyor” diye yazıyor.
Araştırma, Science dergisinde yayımlanmıştır.
Kaynakça: sciencealert.com
