فضانوردان چینی رکورد کم‌ترین دمای ثبت‌شده را در ایستگاه فضایی تیان‌گونگ شکستند

دستیابی به صفر مطلق از نظر ریاضی امکان‌پذیر نیست؛ اما این باعث نشده که دانشمندان از رقابت برای دستیابی به دماهای هرچه پایین‌تر، دست بردارند. در همین راستا، فضانوردان ساکن در ایستگاه فضایی تیان‌گونگ چین به‌تازگی موفق شدند سردترین دمای ثبت‌شده تاکنون را اندازه‌گیری کنند.

هرچند رکورد سردترین دمای جهان تقریباً به‌طور مکرر شکسته می‌شود، این نخستین بار است که چنین رکوردی در فضا به ثبت می‌رسد. دمای جدید به کمتر از یک‌چهارم دمای رکورد قبلی (از نظر فاصله تا صفر مطلق) رسیده است.

تلاش برای نزدیک‌شدن به صفر مطلق صرفاً به این دلیل نیست که افراد می‌خواهند نامشان در کتاب رکوردهای جهان ثبت شود؛ هرچند احتمالاً این موضوع هم بی‌تأثیر نیست. گازهای فوق‌سرد می‌توانند به حالت خاصی از ماده به نام چگالش بوز-اینشتین (BEC) تبدیل شوند. در این حالت، هزاران یا حتی میلیون‌ها اتم رفتاری کوانتومی از خود نشان می‌دهند که معمولاً فقط در ذرات زیراتمی مشاهده می‌شود.

افزایش مقیاس پدیده‌های کوانتومی از طریق چگالش بوز-اینشتین و دیگر حالت‌های عجیب ماده، به پژوهشگران امکان می‌دهد جهان کوانتومی را به روش‌هایی بررسی کنند که در شرایط عادی امکان‌پذیر نیست. حتی پیشنهاد شده است که چنین سرمایش شدیدی می‌تواند در کنار پیشرفت آزمایش‌های پیشرفته‌تر امواج گرانشی، نقشی کلیدی در جست‌وجویانرژی تاریکداشته باشد.

اما متأسفانه برای پژوهشگرانی که روی زمین کار می‌کنند، گرانش زمین مانعی برای پیشرفت‌های بیشتر ایجاد می‌کند. برای خنثی‌کردن اثر افت ناشی از گرانش و نگه‌داشتن اتم‌ها، هنگام سرمایش تبخیری همواره باید فرکانس محصورسازی محدودی وجود داشته باشد که درنتیجه، دمای قابل دستیابی را محدود می‌کند.

بدین ترتیب، با وجود دستیابی به دمای ۳٫۵ × ۱۰ به توان منفی ۱۰ کلوین روی زمین، این دما از نظر برخی پژوهشگران هنوز به‌اندازه کافی پایین نیست.

یکی از راهکارهای موجود، استفاده از آهنرباها برای مقابله با گرانش و معلق نگه‌داشتن مولکول‌های گاز است. بااین‌حال، نویسندگان مقاله‌ای که نتایج مربوط به رکورد جدید را توصیف کرده‌اند، می‌گویند این روش «انحنای باقی‌مانده‌ای ایجاد می‌کند» که خود محدودیت‌هایی برای سرمایش به همراه دارد.

روش دیگر این است که اتم‌ها را از بالای برجی بلند رها کنند یا آن‌ها را در هواپیماهای مخصوص پرواز در بی‌وزنی قرار دهند تا برای مدتی شرایط ریزگرانش شبیه‌سازی شود. رکورد دستیابی به پایین‌ترین دما با این روش‌ها، ۳٫۸ × ۱۰ به توان منفی ۱۱ کلوین است.

اگر پژوهشگران بخواهند مدت‌زمان حفظ مواد فوق‌سرد را افزایش دهند، یکی از راهکارها فرستادن تجهیزات آزمایشی به مدار نزدیک زمین است. بدین منظور، گروهی از پژوهشگران چند مؤسسه علمی چین، تجهیزات تحقیقاتی خود را به ایستگاه فضایی تیان‌گونگ فرستادند. نتیجه‌ی این آزمایش، سردکردن ۲۰هزار اتم روبیدیوم تا دمای ۹٫۷ پیکوکلوین (۹٫۷ × ۱۰ به توان منفی ۱۲ درجه بالاتر از صفر مطلق) بود.

پژوهشگران از روشی به نام «تله دوقطبی نوری» استفاده کردند. در این روش، لیزرها حرکت اتم‌ها را مهار می‌کنند تا تقریباً تمام انرژی خود را از دست بدهند و دمای آن‌ها به تنها ۶ نانوکلوین برسد. هر نانوکلوین معادل یک میلیاردم کلوین است.

پژوهشگران سپس به این اتم‌ها اجازه دادند به مدت ۷ ثانیه منبسط شوند. این فرایند دمای سامانه را باز هم کاهش داد و آن را به رکورد جدید ۹٫۷ پیکوکلوین رساند. طبیعتاً نمی‌توان دماسنجی را داخل چنین سامانه‌ای قرار داد و دمای آن را مستقیماً اندازه گرفت؛ اما پژوهشگران توانستند این مقدار را با بررسی انرژی ناشی از انبساط اتم‌ها محاسبه کنند.

این نخستین بار نیست که دماهایی در محدوده پیکوکلوین در فضا ثبت می‌شوند. در سال ۲۰۲۲، آزمایشگاه اتم‌های سرد درایستگاه فضایی بین‌المللیموفق شد برای مدت یک ثانیه به دمای ۵۲ پیکوکلوین دست پیدا کند.

نتایج پژوهش در مجلهScienceمنتشر شده است.