نسخه قابل چاپ

زیا مرالی - شاید اگر جهنم یخ می‌بست، آنقدرها عجیب نمی‌بود تا اینکه فیزیکدانان موفق به تولید یک گاز اتمی با دمایی سردتر از صفر مطلق بشوند. این کار، راه تولید حالت‌های جدیدی از ماده و ابزارآلات نوین کوانتومی را می‌گشاید و شاید حتی بتواند از پس حل یک معمای کیهان‌شناختی هم برآید.

لرد کلوین (Lord Kelvin)، فیزیکدان انگلیسی، در اواسط قرن نوزدهم معیاری برای دمای مطلق  ماده طراحی کرد که در آن، هیچ ماده‌ای نمی‌توانست از صفر مطلق، سردتر بشود. بعدها فیزیکدانان فهمیدند که دمای مطلق یک گاز، بستگی به انرژی متوسط ذرات تشکیل‌دهنده آن دارد؛ به‌طوریکه در دمای صفر مطلق، این ذرات از حیث نظری، عاری از انرژی‌اند و در دماهای گرم‌تر از آن هم انرژی متوسط ذرات، با نسبتی مشخص افزایش پیدا می‌کند.

اما در دهه ۱۹۵۰ میلادی بود که فیزیکدانان متوجه شدند این قضیه همیشه هم مصداق پیدا نمی‌کند: به‌گفته اولریخ اشنایدر (Ulrich Schneider)، از فیزیکدانان دانشگاه لودویگ ماکسیملیان شهر مونیخ آلمان، دمای یک سیستمْ اصولاً از طریق نموداری خوانده می‌شود که انرژی ذرات سازنده‌اش را به ازای جمعیت نسبی‌شان نشان می‌دهد. معمولاً اغلب ذرات، دمای‌شان متوسط و یا نزدیک به دمای متوسط است و تنها معدودی از آن‌ها، انرژی بیشتری دارند. به لحاظ نظری، اگر این حالت برعکس شود؛ یعنی جمعیت ذرات پرانرژی بیشتر از نمونه‌های کم‌انرژی‌ترشان شود، این نمودار هم وارونه می‌شود و علامت دما، از مثبت به سمت منفی سیر می‌کند.

دره‌ها و قله‌ها

اشنایدر و همکارانش موفق شدند این دماهای منفی را به کمک یک ابر فوق‌سرد کوانتومی از جنس اتم‌های پتاسیم، عملاً محقق کنند. کارشان هم این بود که نخست با کمک اشعه لیزر و چندین میدان مغناطیسی، تک‌تک اتم‌های پتاسیم را در یک چیدمان بلوری جا دادند. این اتم‌ها در دماهای مثبت، همدیگر را دفع می‌کردند و لذا ساختار بلور از دست نمی‌رفت. اما گروه، بلافاصله میدان‌های مغناطیسی  پیرامون بلور را طوری عوض کرد که اتم‌ها به جای دفع همدیگر، به سمت هم کشیده شدند. اشنایدر می‌گوید: "همین باعث شد که اتم‌ها قبل از اینکه با هم واکنش دهند، از باثبات‌ترین حالت‌شان که در کم‌ترین سطح انرژی واقع بود، به بیشترین سطح انرژی برسند. مثل این می‌داند که در یک دره قدم بزنید و ناگهان خودتان را روی قله حس کنید".

در دماهای مثبت، این وارونگی ثبات چندانی ندارد و اتم‌ها روی خودشان فرومی‌ریزند؛ اما گروه از طریق هدایت خاص اشعه لیزر، شرایط لازم برای ثبات اتم‌ها را مهیا کرد. نتیجه‌اش این شد که دمای گاز، از بالای صفر مطلق به چندین میلیاردیم  درجه زیر صفر مطلق رسید. این نتایج، اخیراً طی مقاله‌ای در نشریه معتبر Science تشریح شده‌اند.

ولفگانگ کترل (Wolfgang Kettrle)، از فیزیکدانان انیستیتو فناوری ماساچوست و نیز از برندگان جایزه نوبل، که قبلاً امکان تولید دماهای مطلق  منفی در یک سیستم مغناطیسی را نشان داده بود، این دستاورد اخیر فیزیکدانان را یک "تور دو فرانس  تجربی" می‌نامد. حالت‌های عجیب ماده که در دماهای مثبت مطلق عملاً بی‌ثبات‌اند، در دماهای منفیْ به یک وضع باثبات می‌رسند – به‌طوریکه به‌گفته کترل، "می‌توان روی نوک یک هرم ایستاد و بیمی از سقوط نداشت – و لذا چنین فناوری‌هایی را می‌توان برای بررسی دقیق این حالات ماده به کار بست. او می‌افزاید: "از این طریق، شاید بتوان حالت‌های جدیدی از ماده را در محیط آزمایشگاهْ ایجاد کرد".

آخیم روش (Achim Rosch)، از فیزیکدانان نظری دانشگاه کلن آلمان که مبدع روش اشنایدر و همکارانش بوده، می‌گوید اگر این حالات مادهْ به وجود آیند، رفتارهای شگفتی از خودشان نشان می‌دهند. مثلاً او و همکارانش متوجه شده‌اند اگر بخشی از یک ابر اتمی به دماهای مطلق  منفی برسد، برخلاف یک ابر اتمی معمولی و گرم‌تر که ذرات‌اش از طریق کشش گرانشی‌شان همدیگر را جذب می‌کنند، رفتاری مخالف از خودش نشان می‌دهد و گویا به مصاف نیروی جاذبه می‌رود.

از دیگر شگفتی‌های یک گاز سردتر از صفر مطلق، تقلید رفتار «انرژی تاریک» است؛ نیروی اسرارآمیزی که به‌رغم فشار درون‌گرای نیروی جاذبه، جهان هستی را با آهنگ فزاینده‌ای بسط می‌دهد. اشنایدر تصریح می‌کند که اتم‌های این گاز هم تحت کشش متقابل‌شان مایل‌اند که روی خود فروبریزند، اما دمای مطلق  منفی، مانع از این فروریزش می‌شود. او می‌گوید: "جالب است که این رفتار عجیب، هم در پهنه کیهان وجود دارد و هم درون آزمایشگاه. شاید این چیزی باشد که کیهان‌شناسان باید نگاه دقیق‌تری به آن بیاندازند".

منبع: nature

توضیح تصویر:

منبع: PHOTOCREO / Michal Bednarek/Thinkstock