Получено самое холодное вещество во Вселенной
Исследователи из Центра холодной материи охладили вещество до миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Ученым удалось поставить рекорд по приближению к минимально возможному значению температуры. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature Physics, кратко об исследовании рассказывается в пресс-релизе на сайте Phys.org.
Абсолютный нуль равняется минус 273,15 градуса Цельсия, или 0 кельвинов (К). При этом повышение температуры на один градус Цельсия равно ее повышению на один кельвин. Температура вакуума превышает абсолютный нуль на 2,7 К из-за теплового излучения, оставшегося после Большого взрыва и равномерно заполняющего Вселенную.
В ходе многочисленных экспериментов физикам удавалось достичь триллионных долей одного кельвина, охлаждая отдельные атомы, однако сделать то же самое с молекулами пока не удавалось. Чтобы решить эту проблему, ученые скомбинировали два традиционных подхода, понизив температуру молекул до рекордных долей градуса.
Исследователи использовали молекулы фторида кальция, которые помещались внутрь магнитно-оптической ловушки. Их охлаждали с помощью лазеров. Атомы вещества при этом поглощают фотоны излучения и переизлучают их, теряя больше энергии, чем приобретая. Однако таким способом возможно понижение температуры молекулы лишь до определенного предела (доплеровского). Чтобы преодолеть это ограничение, физики применили метод сизифова охлаждения, при котором используются два двигающихся навстречу друг другу лазерных пучка, забирающие кинетическую энергию у молекулы.
Ученые заявили, что температура охлажденных таким способом молекул достигла 50-миллионной доли градуса. По словам исследователей, это замедляет химические реакции, в которые вступает остывшее вещество, позволяя наблюдать за механизмами их протекания.
Источник
Самое холодное вещество в природе. Что это и для чего используется?
Сперва можно подумать, что самые холодные объекты на Земле находятся где-то на Северном полюсе или на вершинах гор. Все гораздо проще: самые холодные вещества создаются в лабораториях.
Ученые разрабатывают соединения, температура которых близка к абсолютному нулю – минимально возможному пределу температуры, который равняется -273.15 градусам Цельсия. Это в 395 миллионов раз холоднее, чем в вашем холодильнике, в 100 миллионов раз холоднее жидкого азота и в 4 миллиона раз холоднее, чем в температура космоса.
Обычно, если нам нужно что-то остудить, мы оставляем это на время в холодильнике. Для научных экспериментов недостаточно даже температуры космоса, поэтому используются специальные лазеры, позволяющие замедлить частицы вещества. Ведь, как мы помним со школы, температура определяется скоростью движения атомов.
В большинстве случаев энергия лазерного луча нагревает объекты, но импульс пучка также может задерживать атомы. Для этого используется так называемая магнито-оптическая ловушка. Атомы, находясь в вакуумной камере, направляют в ее центр с помощью магнитного поля. Лазерный луч, направленный в центр камеры, настраивают на нужную частоту, а движущиеся атомы поглощают фотон этого луча и замедляются. Это происходит из-за передачи импульса между атомом и фотоном. В центре камеры частицы замедляются, и этот эффект называется оптической массой. Так, можно охладить вещество до нескольких микрокельвинов, как раз около -273 градусов по Цельсию.
Этот метод был разработан в 80-х годах, и в 1997 году за него Нобелевскую премию получили Стивен Чу, Уильям Филипс (США) и Клод Коэн-Таннуджи (Франция). С тех пор эта технология была улучшена для еще большего понижения температуры.
С помощью этого метода можно создавать высокочувствительные устройства для обнаружения нефти и других полезных ископаемых. Дело в том, что холодные атомы из-за их небольшой энергии становятся очень чувствительными к колебаниям в окружающей среде. Также с их помощью можно создавать высокоточные атомные часы, которые используются в глобальных спутниках позиционирования. Не стоит забывать и о том, что холодные атомы позволяют лучше понять границы физики: за счет все той же чувствительности они могут применяться для обнаружения гравитационных волн в будущих космических детекторах и при изучении атомных и субатомных явлений.
Так, замедление атомов уже позволило ученым изучить состояние вещества, называемое бозе-эйнштейновским конденсатом, при которым атомы охлаждаются почти до абсолютного нуля и переходят в новое агрегатное состояние.
Источник
Ученые получили самое холодное вещество в мире
В лабораториях Стенфордского университета (США) ученым удалось получить самый холодный материал на Земле. Благодаря инновационному методу охлаждения исследователи превзошли предыдущий рекорд примерно в десять раз. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Известно, что температура вещества зависит от того, насколько быстро двигаются его элементы по отношению друг к другу. Квантовый физик Марк Касевич (Mark Kasevich) и члены его исследовательской команды начинали экспериментировать с холодным газом, состоящим примерно из 100 тыс. плотно соотнесенных атомов рубидия. В ходе лабораторных опытов поначалу атомы газа очень быстро теряли плотность, расходясь во все стороны в течение нескольких секунд, поскольку скорость их движения была неодинаковой. Некоторые атомы двигались быстрее, чем другие.
Затем физики попробовали облучать вещество специальным лазером, подавляющим движение частиц. Ученые заметили, что в результате чем быстрее атом двигался изначально, тем более сильное замедление он испытывал. Атомы, согласно наблюдениям исследователей, быстро теряли активность движения, что, в свою очередь, способствовало понижению температуры вещества. Газ под воздействием лазера охладился практически до абсолютного нуля (–273,15 °C).
Газ с ультранизкой температурой может быть использован для создания нового поколения интерферометров — приборов для измерения уровня гравитации, которые используются, в частности, в квантовой физике. Исследователи не собираются останавливаться на достигнутом. Марк Касевич надеется усовершенствовать метод и охладить газ в будущем до нескольких квадриллионов Кельвина.
В естественных условиях рубидий представляет собой мягкий щелочной металл серебристого цвета, спутник калия. В чистом виде в природе практически не встречается. В 2009 году ученым удалось получить газообразный рубидий, который представляет собой сверхтекучее твердое тело, с виду напоминающее кристалл. Искусственно получаемый газообразный рубидий удобен тем, что позволяет регулировать значение многих параметров, таких как плотность вещества, вид атомной решетки, интенсивность взаимодействия атомов и др. Это делает его замечательным опытным материалом.
Ранее портал Научная Россия писал о схожем эксперименте, проведенном в Новой Зеландии, когда ученым удалось при помощи лазера расщепить облака ультрахолодных атомов.
Источник
5 научных открытий, которые поражают своим холодом
Наука, без сомнения, является одной из самых интересных вещей во Вселенной. И она не перестаёт поражать нас каждый день. Мы раскрыли многие тайны мира, которые ранее приписывали мифическим существам, и, возможно, недалёк тот день, когда ответы почти на все вопросы будут известны. Впрочем, сам факт их раскрытия не убережет нас от мракобесия и глупости. Но у каждого есть доступ к плодам учёных, которые помогают сделать человека лучше. BroDude внимательно следит за новыми или интересными научными открытиями и не перестанет рассказывать о том, что может тебя удивить. На этот раз подборка включает в себя действительно удивительные открытия.
1. Абсолютный ноль
Ультрахолодные эксперименты проводятся на самом современном оборудовании, которое доступно в наш век. Но, как это обычно бывает, теория идёт впереди практики и технических возможностей. Идея об абсолютном нуле возникла прежде, чем у каждого из нас появились холодильные камеры. Это был XVIII-XIX век, когда в 1702 году ученые предположили возможность конечной температуры, а в 1848 году лорд Кальвин разработал теорию, согласно которой её значение было -273,15 градусов по Цельсию.
Температура – это энергия, связанная с движением частиц, а абсолютный ноль – это тот момент, когда частицы останавливаются. Это не просто конец шкалы температур, это её отсутствие. Температура лишается возможности передачи тепловой энергии.
Абсолютный ноль – это не просто цифра на термометре, это граница существования, за которой ничего нет. Это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Мы нашли это значение гораздо раньше, чем изобрели холодильники. А теперь, благодаря кропотливому изучению этого вопроса, у тебя есть лёд в твоём коктейле.
2. Мы увидели, как Вселенная испускает свой первый свет
Учёные не просто так говорят о том, что происходило миллиарды лет назад. Чего стоит только факт того, что мы в состоянии увидеть первый свет, испускаемый нашей Вселенной.
Существование реликтового излучения было предсказано ещё Гамовым в рамках теории Большого взрыва. А термин ввёл наш астрофизик И.С. Шкловский. По сути, реликтовое излучение – это микроволновое фоновое излучение, которое существовало уже в первые 400 000 тысяч лет Вселенной (очень мизерный срок, если говорить о космосе).
Более 13 миллиардов лет назад Вселенная расширялась достаточно настолько, чтобы можно было увидеть свет. И этот свет по-прежнему есть, и мы можем увидеть его. Мы будто смотрим на детские фотографии нашего космического дома. И этот свет нам о многом говорит, потому что Вселенная тогда была иной. И реликтовый свет имеет лишь 3 градуса выше абсолютного нуля, когда изначально он имел температуру в 3000 градусов по Цельсию.
3. Мы нашли самый холодный естественный объект во Вселенной
Вселенная, словно бесконечный магазин игрушек, – никогда не знаешь, что ожидает тебя в следующем отделе. Но поиск конкретных объектов походит на поиск иголки в стоге сена при допущении, что этот стог сена размером с звезду. Несмотря на трудности, людям всё-таки удаётся найти что-то уникальное в наблюдаемой Вселенной.
Этой крутой штуковиной оказалась Туманность Бумеранг, расположенная на расстоянии в 5000 световых лет от Земли в созвездии Центавра. В 1995 году 15-метровый субмиллиметровый телескоп Европейской южной обсерватории в Чили смог определить эту туманность как самое холодное из известных мест во Вселенной. Температура туманности равна -272 градуса по Цельсию. О чём это говорит? О том, что данная планетарная туманность даже холоднее, чем реликтовое излучение от Большого Взрыва. На данный момент это единственный астрономический объект, который обладает настолько низкой температурой.
4. Космическая обсерватория Планка
Она, кстати говоря, тоже холодная, ведь без охлаждения этой космической обсерватории, которая размещена, соответственно, в космосе, невозможно будет получить оригинальные фотоны от реликтового излучения.
Система охлаждения Планка является шедевром техники низких температур. И она прекрасно работает в течение многих лет, обеспечивая нас наиболее точными измерениями космологических данных. Её работа не просто дала нам представление о ранней Вселенной, она дала нам карту этой самой Вселенной. В период с 2009 по 2010 года астрономический спутник Европейского космического агентства успешно закончил свою основную работу, а дополнительная миссия завершилась уже в октябре 2013 года.
В общем, это устройство уже на пенсии, так что не будет лишним вспомнить его заслуги:
– мы узнали, что мир состоит на 4,9% из обычного вещества, на 26,8% из тёмной материи и на 68,3% из тёмной энергии;
– мы узнали, что с момента большого взрыва прошло 13,80 млрд лет;
– существуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино;
– было подтверждено отличие спектра первоначальных возмущений материй от однородного.
5. Cамое холодное вещество
Вселенной удалось создать туманность, которая всего лишь на одну степень выше абсолютного нуля. Таким образом, Туманность Бумеранг является самым холодным объектом в наблюдаемой Вселенной. Но человек использовал пару тонн брутальной науки, чтобы обойти Вселенную и в этом, создав такую штуку, как конденсат Бозе-Эйнштейна.
Что это такое? Это агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). За создание этого конденсата учёным присудили Нобелевскую премию по физике. Это был 2001 год.
Результаты, кстати говоря, были получены благодаря сотрудникам Лаборатории холодного атома на прототипе установки, которая предназначена для работы на международной космической станции в 2016 году.
С практической точки зрения данные исследования помогут создать более чувствительные квантовые детекторы, а также сверхточные атомные часы, которые могли бы стать новым стандартом измерения времени.
Источник
Британские ученые получили самое холодное вещество во Вселенной
Сотрудники Центра холодной материи в Имперском колледже Лондона получили самое холодное вещество Вселенной. Подробный текст данного эксперимента появился на страницах популярного научного таблоида Nature Science.
Ученые из Центра холодной материи в Имперском колледже Лондона смогли охладить материю до миллионной доли градуса минимально возможной во Вселенной температуры.
Изначально ученые поместили фторидные молекулы кальция прямо по центру магнитно-оптической ловушки, а в результате принялись охлаждать их при помощи лазерного луча. Таким образом температуру молекулы удалось снизить до так называемого доплеровского предела.
Следом за этим ученые начали добиваться снижения температуры даже ниже существующего предела. Соответствующее охлаждение называется суб-доплеровским.
Как сообщается, ученые смогли достичь значения в минус 273,15 градуса по Цельсию, что приравнивает нулю кельвинов. Для получения рекордно низкого температурного значения физики совместили сразу два подхода.
Одной из методик, которая позволит добиться такого параметра охлаждения является создание патоки «оптического» типа.
Суть ее заключается в том, что благодаря весьма быстрому изменению поляризации лазерного типа луча атом поглощает исключительно фотоны, которые движутся навстречу. Следом за этим он испускает их и теряет кинетические параметры энергии.
Ранее ученым удавалось охладить до минимальной температуры отдельные атомы, уточняет сайт Phys.org. Как отмечают исследователи, открытие позволит замедлять те или иные химические реакции и наблюдать за тем, как они протекают.
Ученые надеются, что это достижение станет одним из шагов к разработке квантовых суперкомпьютеров
Источник