Рекорд холода в космосе: на «Тяньгуне» атомы охладили ниже 10 пикокельвинов с помощью лазерных «пинцетов»

Учёные на борту китайской станции «Тяньгун» охладили облако атомов рубидия до температуры ниже 10 пикокельвинов — лишь на волосок от абсолютного нуля. Лазерная ловушка и невесомость позволили достичь того, что на Земле практически невозможно.

Что сделали учёные

Учёные охладили атомы до самой низкой температуры, когда-либо зарегистрированной, используя лазерную ловушку на борту китайской космической станции «Тяньгун». В рамках эксперимента атомы были охлаждены до 10 пикокельвинов — это едва выше абсолютного нуля, самой низкой теоретически возможной температуры в физике. Абсолютный нуль составляет минус 459,67 градуса по Фаренгейту (минус 273,15 градуса по Цельсию) — порог, при котором, как считается, все частицы в объекте перестают двигаться.

Учёные достигли результата с помощью «оптических пинцетов», официально известных как оптическая дипольная ловушка (ODT), которые удерживают атомы в лазерном луче, сообщили исследователи 5 ноября в журнале Science. Команда поместила 20 000 атомов рубидия в ловушку, чтобы ограничить их движение. Это снижение подвижности вместе с невесомостью, вызванной условиями низкой гравитации на борту станции, привело к тому, что облако атомов охладилось до гораздо более низких температур, чем это возможно на Земле.

«Эта рекордно низкая температура может стимулировать новое поколение экспериментов на основе ODT по квантовой симуляции и прецизионным измерениям в космосе», — пишут исследователи в статье.

Насколько низко можно опуститься

Несмотря на это достижение, сомнительно, что учёные когда-либо смогут достичь абсолютного нуля. Одна из интерпретаций третьего закона термодинамики, который рассматривает поведение систем при приближении к абсолютному нулю, гласит, что частицы всегда будут обладать некоторой энтропией (беспорядком), что делает абсолютный нуль недостижимым.

«Одна из версий третьего закона гласит, что для достижения абсолютного нуля потребуется бесконечное число шагов, а значит, вы никогда туда не доберётесь», — сказал Сайбал Митра, профессор физики Университета штата Миссури, в интервью Live Science в 2024 году. Второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия всегда возрастает, также был бы нарушен, если бы учёные смогли достичь абсолютного нуля, добавил он. «Если бы у вас был теплоотвод при абсолютном нуле, вы могли бы построить машину со 100-процентным КПД», — сказал Митра.

Тем не менее космос облегчает приближение к абсолютному нулю, поскольку микрогравитация позволяет атомам «парить» и более эффективно охлаждаться. Исследователи взяли своё невесомое скопление атомов и создали квантовое состояние материи, известное как конденсат Бозе — Эйнштейна, в котором очень холодные атомы слипаются и образуют «пятое состояние» материи, ведя себя подобно одному атому.

Контекст и перспективы

Достижение «Тяньгуна» следует за аналогичными экспериментами на Международной космической станции, где была достигнута температура 52 пикокельвина, и за экспериментом в условиях невесомости при падении с высокой башни, где атомы охладили до 38 пикокельвинов, сообщает Science News.

Рекорд 10 пикокельвинов — не только техническое достижение, но и важный шаг к созданию орбитальных квантовых лабораторий будущего. Сверххолодные атомы используются для создания квантовых газов, атомных часов чрезвычайно высокой точности и моделей сложных физических систем. В условиях микрогравитации такие эксперименты становятся точнее и продолжительнее, поскольку исчезает главное ограничение земных лабораторий — гравитация, которая заставляет атомы быстро падать и разрушает тонкие квантовые состояния. В перспективе подобные установки могут использоваться для проверки фундаментальных физических теорий, создания сверхточных навигационных систем и даже для поиска следов тёмной материи.

Источники: Science, Live Science, Science News, Китайская академия наук.