Çin'in uzay istasyonunda atomlar 9,7 pikokelvine soğutuldu: rekorun anlamı ve sınırları

Çinli araştırmacılar, Tiangong uzay istasyonunun Mengtian (Mengtian, "Rüya Göğü") laboratuvar modülünde rubidyum atomlarından oluşan bir bulutu 9,7 pikokelvinlik eşdeğer sıcaklığa kadar soğuttu. Sonuçlar bu hafta Science dergisinde "Quantum gases below 10 picokelvin in space" başlığıyla yayımlandı. Bir pikokelvin, kelvinin trilyonda biri; yani 9,7 pikokelvin, mutlak sıfırın 0,0000000000097 derece üzeri demek.

Çalışmayı Pekin Üniversitesi, Çin Bilimler Akademisi'ne bağlı Şanghay Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü ile Uzay Kullanımı Teknoloji ve Mühendislik Merkezi'nden araştırmacılar yürüttü. Makalenin özetine göre yaklaşık 20 bin atomluk bir Bose-Einstein yoğuşuğu bu değere ulaştı ve 7 saniyelik serbest genişleme süresi sağlandı. Makalenin DOI numarası 10.1126/science.aea5324.

"Eşdeğer sıcaklık" ne demek?

Bu rakam, istasyondaki bir termometrenin gösterdiği değer değil. Bose-Einstein yoğuşuğu, atomların neredeyse aynı kuantum durumuna çöktüğü çok soğuk bir madde hâlidir. Bu bulut tuzaktan bırakıldığında atomlar yavaşça birbirinden uzaklaşır; ne kadar hızlı dağıldıklarını izleyen araştırmacılar, bu yayılmaya karşılık gelen enerjiyi sıcaklık birimiyle ifade eder. Çin Bilimler Akademisi'nin açıklamasında da bu değerin ekipmanın değil, atomların genişleme hızının sıcaklığı olduğu vurgulanıyor.

Ölçek için bir karşılaştırma: evrenin kozmik mikrodalga arka plan ışımasının sıcaklığı yaklaşık 2,7 kelvin. 9,7 pikokelvin, bunun yaklaşık 280 milyar kat altında.

Neden uzayda?

Yeryüzünde atom bulutunu soğuk tutmak için yerçekimine karşı koymak gerekiyor. Yerçekimi atomları tuzağın içinde aşağı çekiyor; bunu dengelemek için kullanılan manyetik yöntemler de atomları aynı iç dönüş durumunda tutmayı gerektiriyor. Mikroyerçekiminde bu sorun hafifliyor, bulut çok gevşek bir tuzakta durabiliyor ve serbest bırakıldığında saniyelerce izlenebiliyor.

Ekip bu hedefe tamamen optik bir tuzakla, yani lazer ışığıyla ulaştı. Önce lazerle soğutma, ardından en enerjili atomların tuzaktan kaçmasına izin veren buharlaştırmalı soğutma uygulandı; sonra atomlar daha geniş bir tuzağa aktarılarak bulutun hızla genişlemesi sağlandı ve enerji bir kez daha düşürüldü. Phys.org'un aktardığı makale ayrıntılarına göre, mikroyerçekiminde optik tuzaktaki buharlaştırmalı soğutma verimsiz kaldığı için sürece bir manyetik alan gradyanı da eklendi.

Önceki rekorlarla karşılaştırma

Makaleye dayanan haberlere göre bundan önceki en düşük değer, serbest düşme kulesinde ölçülen 38 pikokelvindi; bu düzenek bulutu yalnızca yaklaşık 2 saniye izlemeye izin veriyordu. Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki deney ise 52 pikokelvine, yaklaşık 1 saniyelik gözlem süresine ulaşmıştı. Yeni sonuç 38 pikokelvinin yaklaşık dörtte biri; belirsizlik aralığı da 7,0 ile 12,9 pikokelvin arasında verilmiş. Yani rekor, ölçüm hatası payı hesaba katıldığında da önceki değerlerin altında kalıyor. NASA'nın istasyondaki Cold Atom Lab laboratuvarı bu alanın bilinen öncüsü; Çin'in düzeneği ona alternatif ve tamamlayıcı bir ikinci uzay laboratuvarı olarak öne çıkıyor.

Rekorun sınırları

Birincisi, bu çok küçük bir örnek: yaklaşık 20 bin atom, yani gündelik ölçekte neredeyse hiç madde. İkincisi, rakam özel bir ölçüm yöntemine dayanıyor; bu tür bir eşdeğer sıcaklık, klasik anlamda bir ısıl dengeyi değil genişleme enerjisini anlatıyor; bu yüzden gündelik sıcaklıkla birebir kıyaslanmamalı. Üçüncüsü, rekorun kendisi bir bilim sonucu değil, bir araç: asıl değer, bu soğukluğun neleri mümkün kıldığı.

Ne işe yarayacak?

Çin Bilimler Akademisi'nin açıklamasında sayılan uygulamalar arasında optik örgülerle kuantum simülasyonu, ivme ve yerçekimini ölçen atom interferometreleri, Dünya'nın çekim alanı ölçümleri ve karanlık madde modellerinin sınanması var. Phys.org'un özetinde ayrıca eşdeğerlik ilkesinin hassas testleri anılıyor. Atom interferometrelerinde gözlem süresi uzadıkça ve bulutun enerjisi düştükçe ölçüm hassasiyeti artıyor; bu yüzden hem saniyeler hem de pikokelvinler önemli.

Düzeneğin mühendislik hikâyesi de dikkat çekici: açıklamaya göre proje 2011'de değerlendirmeye alındı, tesis 2022'de Mengtian modülüyle uzaya gitti ve başlangıçta yaklaşık 20 metreküp hacim ile 10 ton kütle gerektiren sistem 0,7 metreküpe ve 0,5 tona indirildi.

Sırada, bu soğuk bulutu hassas ölçümlere dönüştürmek var; açıklamada sayılan atom interferometresi ve kuantum simülasyonu uygulamalarının uzayda ne zaman hayata geçeceği henüz belli değil. Rekorun gerçekten hangi yeni fiziği açacağı, bu ölçümlerin sonuçlarıyla görülecek.