Τα πιο ψυχρά υλικά στον κόσμο δεν βρίσκονται στην Ανταρκτική.
Δεν βρίσκονται στην κορυφή του Έβερεστ,
ούτε θαμμένα σε κάποιον παγετώνα.
Βρίσκονται σε εργαστήρια φυσικής:
νέφη αερίων μόλις λίγα κλάσματα του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Είναι 395 εκατομμύρια φορές ψυχρότερα από ό,τι το ψυγείο σας,
100 εκατομμύρια φορές ψυχρότερα από ό,τι το υγρό άζωτο,
και 4 εκατομμύρια φορές ψυχρότερα από ό,τι το εξώτερο διάστημα.
Τέτοιες χαμηλές θερμοκρασίες δίνουν στους ειδικούς μια εικόνα
για τις εσωτερικές διεργασίες της ύλης
και επιτρέπουν στους μηχανικούς να φτιάξουν εξαιρετικά ευαίσθητα όργανα
που μας δίνουν στοιχεία για οτιδήποτε, από την ακριβή θέση μας στον πλανήτη
μέχρι και τι συμβαίνει στις πιο απόμακρες περιοχές του σύμπαντος.
Πώς δημιουργούμε τόσο ακραίες θερμοκρασίες;
Εν συντομία, επιβραδύνοντας κινούμενα σωματίδια.
Όταν μιλάμε για θερμοκρασία, στην πραγματικότητα μιλάμε για κίνηση.
Τα άτομα που συνθέτουν τα στερεά, τα υγρά, και τα αέρια
κινούνται ακατάπαυστα.
Όταν τα άτομα κινούνται πιο γρήγορα, αντιλαμβανόμαστε την ύλη ως ζεστή.
Όταν κινούνται πιο αργά, την αντιλαμβανόμαστε ως κρύα.
Για να ψύξουμε ένα ζεστό αντικείμενο ή ένα αέριο στην καθημερινότητά μας,
το τοποθετούμε σε κρύο περιβάλλον, όπως είναι ένα ψυγείο.
Μέρος της ατομικής κίνησης του ζεστού αντικειμένου μεταφέρεται στο περιβάλλον,
και έτσι ψύχεται.
Αλλά υπάρχει ένα όριο σε αυτό:
ακόμα και το έξω διάστημα είναι πολύ ζεστό για να αναπτύξει υπέρψυχρες θερμοκρασίες.
Έτσι, οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να επιβραδύνουν απευθείας τα άτομα:
με ακτίνες λέιζερ.
Στις περισσότερες των περιπτώσεων,
η ενέργεια από μια ακτίνα λέιζερ θερμαίνει τα πράγματα.
Αλλά αν χρησιμοποιηθεί με εξαιρετική ακρίβεια,
η ορμή της μπορεί να ακινητοποιήσει κινούμενα άτομα, ψύχοντάς τα.
Αυτό συμβαίνει σε μια συσκευή που λέγεται «μαγνητο-οπτική παγίδα».
Τα άτομα απελευθερώνονται σε έναν θάλαμο κενού
και ένα μαγνητικό πεδίο τα «τραβάει» προς το κέντρο.
Μια δέσμη λέιζερ που σημαδεύει το κέντρο του θαλάμου
είναι ρυθμισμένη ακριβώς στη σωστή συχνότητα,
ώστε ένα άτομο που κινείται προς τα εκεί θα απορροφήσει ένα φωτόνιο της δέσμης
και θα επιβραδυνθεί.
Το φαινόμενο της επιβράδυνσης προκύπτει από τη μεταφορά ορμής
μεταξύ ατόμου και φωτονίου.
Ένα σύνολο έξι ακτίνων, σε κάθετη διάταξη μεταξύ τους,
εξασφαλίζει ότι τα άτομα που κινούνται σε όλες τις κατευθύνσεις θα «πιαστούν».
Στο κέντρο, όπου οι ακτίνες συναντώνται,
τα άτομα κινούνται με δυσκολία, σαν να είναι παγιδευμένα σε παχύρρευστο υγρό,
ένα φαινόμενο που οι ερευνητές που το ανακάλυψαν
το περιέγραψαν ως «οπτική μελάσσα».
Μια μαγνητο-οπτική παγίδα σαν κι αυτή
μπορεί να ψύξει τα άτομα έως και μερικούς μικροκέλβιν,
σχεδόν στους -273 βαθμούς Κελσίου.
Αυτή η τεχνική αναπτύχθηκε τη δεκαετία του ’80,
και οι επιστήμονες που συνεισέφεραν σε αυτή
κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής το 1997 για την ανακάλυψή τους.
Έκτοτε, η ψύξη μέσω λέιζερ έχει βελτιωθεί και φτάνει ακόμα χαμηλότερες θερμοκρασίες.
Αλλά γιατί να θέλει κάποιος να ψύξει τόσο πολύ τα άτομα;
Κατ′ αρχάς, τα ψυχρά άτομα είναι πολύ καλοί ανιχνευτές.
Με τόσο λίγη ενέργεια,
είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις διακυμάνσεις του περιβάλλοντος.
Έτσι, τα αξιοποιούν σε όργανα ανίχνευσης κοιτασμάτων πετρελαίου και ορυκτών,
και κατασκευάζουν εξαιρετικά ακριβή ατομικά ρολόγια,
όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στους δορυφόρους του GPS.
Δεύτερον, τα ψυχρά άτομα έχουν πολύ μεγάλες δυνατότητες
να διευρύνουν τα όρια της φυσικής.
Η τρομερή ευαισθησία τους τα κάνει υποψήφια προς χρήση
για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων σε μελλοντικούς διαστημικούς ανιχνευτές.
Είναι επίσης χρήσιμα για τη μελέτη ατομικών και υποατομικών φαινομένων,
τα οποία απαιτούν τη μέτρηση εξαιρετικά μικρών διακυμάνσεων ενέργειας στα άτομα.
Αυτές εξαφανίζονται υπό κανονικές θερμοκρασίες,
όταν τα άτομα κινούνται τριγύρω με εκατοντάδες μέτρα το δευτερόλεπτο.
Η ψύξη με λέιζερ μπορεί να επιβραδύνει τα άτομα σε λίγα εκατοστά το δευτερόλεπτο,
αρκετά ώστε η κίνηση που οφείλεται σε ατομικά, κβαντικά φαινόμενα
να γίνει εμφανής.
Τα υπέρψυχρα άτομα έχουν ήδη επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν φαινόμενα
όπως την συμπύκνωση Bose-Einstein,
όπου τα άτομα ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν
και μετατρέπονται σε μια νέα, σπάνια κατάσταση της ύλης.
Έτσι, όσο οι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν τους φυσικούς νόμους
και να ξεδιαλύνουν τα μυστήρια του σύμπαντος,
θα το κάνουν με τη βοήθεια των πιο ψυχρών ατόμων που βρίσκονται μέσα του.