W mikroświecie panuje bezustanny ruch. Nawet nieruchome przedmioty, gdyby obejrzeć je w atomowej skali, byłyby w ruchu. Cząsteczki gazów i cieczy bezustannie się ze sobą zderzają. Nawet w ciałach stałych bezustannie podrygują. Miara tego ruchu to temperatura – im cieplej, tym szybciej cząstki się poruszają.

Zero absolutne oznacza, że atomy niemal całkowicie przestają się ruszać

W temperaturze zera bezwzględnego – czyli 0 stopni Kelwina albo minus 273,15 stopni Celsjusza – ruch powinien,  jak kiedyś sądzono, całkowicie ustać. Stąd też „bezwzględne” w nazwie, bo nic już schłodzić bardziej nie można.

Okazało się z czasem, że nie oznacza to, że drgania cząsteczek ustają. Zabraniają tego prawa świata kwantów (zasada nieoznaczoności Heisenberga), ale atomy w takiej temperaturze mogą drgać w bardzo ograniczony sposób. Nazywa się to stanem podstawowym.

Fizycy potrafią schłodzić materię do takiej temperatury, czyli doprowadzić je do stanu podstawowego. Do tej pory udawało się to jednak w przypadku niewielkich grup atomów.

Drgania luster LIGO zostały zmniejszone (prawie) do zera

Teraz udało się to także w przypadku większego obiektu. Chodzi o cztery lustra wchodzące w skład detektora fal grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Lustra LIGO ważą 40 kilogramów każde, choć z powodu zsynchronizowanych drgań zachowują się, jakby miały łączną masę (tzw. masę efektywną) 10 kilogramów.

Fizykom z Massachusetts Institute of Technology udało się je schłodzić do 77 nanokelwinów czyli zaledwie kilkadziesiąt miliardowych części stopnia powyżej zera bezwzględnego. W takim stanie lustra drgały miliony milionów razy słabiej (fononów, które są miarą drgań, było w nich kilkanaście zamiast kilku bilionów).

Uczeni osiągnęli w ten sposób rekord schłodzenia obiektu makroskopowego. W tak niskiej temperaturze atomy zachowują się już nie jak bezładnie podrygujący tłum, ale jak karna armia – wszystkie są zsynchronizowane. Dzięki temu można obserwować efekty kwantowe, widoczne zwykle w przypadku pojedynczych cząstek (lub ich niewielkich grup) w makroskali.

Chłodzenie do ekstremalnie niskich temperatur jest jak hamowanie huśtawki

Efekt ten udało się osiągnąć dzięki skomplikowanemu systemowi, który chroni lustra przed drganiami. LIGO mierzy odchylenia wiązek niezwykle precyzyjnego lasera na długiej drodze do zwierciadeł i z powrotem. Żeby móc wykryć fale grawitacyjne, lustra muszą być nieruchome. Służy do tego system tłumienia drgań za pomocą fal elektromagnetycznych.

Przypomina to hamowanie huśtawki – tłumaczy Chris Whittle z MIT – którą można zatrzymać popychając ją w przeciwnym kierunku.  Jego zespołowi udało się ograniczyć liczbę fononów (czyli drgań sieci krystalicznej) z 10 bilionów do zaledwie jedenastu. Rzecz jasna przez bardzo krótki czas.

Celem tego eksperymentu było sprawdzenie, dlaczego na co dzień obiekty makroskopowe nie wykazują kwantowych właściwości. Niektórzy fizycy sugerują, że może być to skutek działania grawitacji. Jeśli rzeczywiście tak jest, trzeba badać więc obiekty na tyle duże, żeby móc zmierzyć jaki wpływ ma na nie siła ciążenia – tłumaczy Vivishek Hudhir, członek zespołu.

W przypadku pojedynczych cząstek, które do tej pory badacze schładzali, wpływ grawitacji trudno zmierzyć – nawet miliony atomów ważą zaledwie nanogramy i są po prostu za lekkie. Oczywiście takie schłodzenie luster LIGO może też sprawić, że cały detektor będzie bardziej czuły. Jest to jednak kwestia przyszłości. Badaczom udało się osiągnąć taki stan zaledwie na chwilę

Źródła: Science, MIT News.