فیزیک‌دانان در سرتاسر جهان به مدت چندین دهه در جستجوی نزدیک شدن به صفر مطلق بوده‌اند، که به عنوان پایین‌ترین دمای ممکن در جهان شناخته می‌شود. این تلاش‌ها به منظور رسیدن به دماهای بسیار پایین، امکان مطالعه پدیده‌های کوانتومی را در مقیاس‌های وسیع‌تر فراهم می‌آورد. ایستگاه فضایی تیانگونگ چین، بار دیگر به عنوان محل برگزاری آزمایش‌هایی نوآورانه شناخته شد که نتایج شگفت‌انگیزی را به همراه داشت و مرزهای علم فیزیک را جابه‌جا کرد.
رقم‌زنی جدید در سردترین دمای کیهانی
محققان در ایستگاه فضایی تیانگونگ چین توانستند به دمایی برابر با ۹.۷ پیکوکلوین (۰.۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۹۷ کلوین) دست یابند که به گفته این پژوهشگران، پایین‌ترین دمای اندازه‌گیری شده تاکنون محسوب می‌شود. این دمای بی‌نظیر، به طرز باورنکردنی ۲۸۰ میلیارد بار پایین‌تر از میانگین دمای ۲.۷ کلوینی فضا است. این رکورد جدید، به طور چشمگیری استاندارد پیشین ۳۸ پیکوکلوین که در سال ۲۰۲۱ در برج سقوط برمن آلمان به ثبت رسیده بود را مغلوب کرد. رسیدن به دماهای نزدیک به صفر مطلق چالشی بزرگ به شمار می‌آید، زیرا با کاهش دما، حذف انرژی حرارتی باقی‌مانده دشوارتر می‌شود.
تحصیل کندانسای بوز-اینشتین: چالش‌ها و رویکردها
هدف اصلی این آزمایش‌ها تولید کندانسای بوز-اینشتین (Bose-Einstein Condensate) است که حالتی از ماده است و در دماهای نزدیک به صفر مطلق شکل می‌گیرد. در این شرایط، اتم‌ها به طور جمعی عمل کرده و شبیه یک شیء کوانتومی بزرگ رفتار می‌کنند. این پدیده به دانشمندان اجازه می‌دهد تا رفتار کوانتومی را در مقیاس‌های وسیع‌تری بررسی کنند و اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی از جهان فیزیکی انجام دهند.
محققان به رهبری فیزیک‌دانان «شیائوجی ژو» و «ژوزونگ چن» از دانشگاه پکن و «ویبیائو چن» از آکادمی علوم چین، آزمایش خود را با اتم‌های روبیدیوم-۸۷ آغاز کردند. آنها از لیزر برای سرد کردن اتم‌ها در تله نوری که در دستگاهی به نام «قفسه فیزیک اتم سرد» قرار داشت، استفاده کردند. سپس با به‌کارگیری خنک‌سازی تبخیری، اتم‌های پرانرژی‌تر را حذف کردند تا انرژی اتم‌های باقی‌مانده کاهش یابد. به دلیل نبود نیروی گرانش در فضا که می‌توانست به جدا شدن اتم‌های فرار یاری رساند، دانشمندان با ایجاد یک میدان مغناطیسی تأثیری مشابه با گرانش ایجاد کردند. این رویکرد به آنها اجازه داد تا کندانسای بوز-اینشتین را در دمای ۳.۱ نانوکلوین تولید کنند.
سپس، کندانسای به تله‌ای بزرگ‌تر منتقل شد و با کاهش تدریجی قدرت تله، ابرها به آرامی منبسط شدند. با خاموش کردن کامل تله، محققان توانستند سرعت پراکندگی ابرها را اندازه‌گیری کرده و از آن برای محاسبه دمای معادل ۹.۷ پیکوکلوین استفاده کنند. این دما معادل، انرژی مرتبط با انبساط ابر اتمی را توضیح می‌دهد و برای اندازه‌گیری‌های دقیق، کاهش سرعت انبساط به معنای افزایش زمان مشاهده و حساسیت بالاتر است.
کاربردهای پیشرفته: از فیزیک کوانتوم تا کیهان‌شناسی
این پیشرفت تنها به ثبت رکورد محدود نمی‌شود و به طور بالقوه دارای کاربردهای مهمی در تحقیقات آینده است. یکی از کاربردهای امیدوارکننده، تداخل‌سنجی اتمی است که از ویژگی‌های موجی اتم‌ها برای اندازه‌گیری تغییرات بسیار کوچک در محیط بهره می‌برد. با افزایش زمان مشاهده اتم‌ها، دانشمندان قادر خواهند بود ابزارهای دقیق‌تری برای آزمایش قوانین بنیادی فیزیک به وجود آورند؛ از جمله اصل هم‌ارزی که به این نکته اشاره دارد که گرانش بر تمامی اجسام، بدون توجه به جرم یا ترکیب آنها، به یک شکل تأثیر می‌گذارد. توانایی تولید چنین گازهای کوانتومی فوق‌سرد در فضا همچنین به محققان این امکان را می‌دهد که حالت‌های خاصی از ماده را که بررسی آنها در آزمایشگاه‌های زمینی با دشواری همراه است، مطالعه کنند. این پلتفرم نوری فوق‌سرد توانمندی‌های لازم برای شبیه‌سازی کوانتومی و اندازه‌گیری دقیق را در مأموریت‌های فضایی آینده فراهم می‌آوردم.