عجیب‌ترین دستاورد دنیای فیزیک: دست یابی به دمای زیر صفر مطلق کلوین

شاید غیر محتمل‌تر از یخ زدن آتش دوزخ به نظر برسد، ولی فیزیکدان‌ها  گاز اتمی خاصی تولید کرده‌اند که برای اولین بار به دمایی زیر صفر مطلق کلوین رسیده است. این تکنیک راهی را باز کرده که بتوان موادی با دمای منفی کلوین و همچنین ابزارهای کوانتومی جدیدی تولید کرد و یک معمای بزرگ کیهانی را با استفاده از آن حل کرد.
به گزارش نیچر، لرد کلوین در اویل دهه 1800 مقیاس دمایی مطلق خود را با این فرض که هیچ چیزی سردتر از صفر مطلق نیست، تبیین کرد. بعدها فیزیکدانان تشخیص دادند که دمای مطلق یک گاز به متوسط انرژی جنبشی ذراتش بستگی دارد. با این حساب، صفر مطلق متناظر با با حالتی فرضی است که در آن ذرات هیچ انرژی ندارند، و دماهای بالاتر به متوسط انرژی‌های بالاتری تعلق دارند.
ولی در دهه 1950/1330، فیزیکدانانی که با سیستم‌های عجیب و غریب‌تر کار می‌کردند، متوجه شدند که این مسئله همیشه صحت ندارد: از لحاظ نظری شما دمای سیستم را از روی نموداری می‌خوانید که احتمال یافت شدن ذرات در هر سطح انرژی معین را نشان می‌دهد. معمولا اغلب ذرات انرژی متوسط یا نزدیک به متوسطی دارند و البته تنها تعداد اندکی از ذرات به سطوح انرژی بالاتری می‌رسند. الریچ اشنایدر، فیزیکدان در دانشگاه ماکسمیلیان لودویگ مونیخ توضیح می‌دهد که به طور نظری، اگر جای ذراتی با انرژی بالاتر با ذراتی با انرژی پایین‌تر جابجا شود، این نمودار زیر و رو خواهد شد و علامت دما از دمای مطلق مثبت به دمای مطلق منفی تغییر خواهد کرد.
 
دره‌ها و قله‌ها
اشنایدر و همکارانش با استفاده از گاز کوانتومی فوق سرد حاوی اتم‌های پتاسیم به چنین دماهای زیر صفر مطلق کلوین دست یافته‌اند. آنها با استفاده از لیزر و میدان مغناطیسی، تک تک اتم‌ها را در آرایشی شبکه‌ای نگه داشتند. در دمای مثبت کلوین اتم‌ها همدیگر را دفع می‌کنند و این منجر به ایجاد پایداری در پیکربندی آنها می‌شود. سپس گروه به سرعت میدان مغناطیسی را طوری تغییر دادند که اتم‌ها به جای دفع، همدیگر را جذب کنند. اشنایدر می‌گوید: «این کار به طور ناگهانی اتم‌ها را از پایدارترین حالت‌شان به حالت دیگری می‌برد، یعنی اتم‌ها قبل از اینکه بتوانند برهمکنش دهند، از پایین‌ترین سطح انرژی به بالاترین سطح انرژی ممکن برانگیخته می‌شوند. این درست شبیه به کوهنوردی است که در دره کوهنوردی می‌کند و سپس ناگهان خود را در نوک قله کوه می‌یابد».
در دمای مثبت، این واژگونی پایدار نخواهد بود و اتم‌ها فرو خواهند پاشید. اما گروه میدان تله‌انداز لیزری را هم به گونه‌ای تنظیم کردند که آن را از لحاظ سطح انرژی، برای چسبیدن اتم‌ها در موقعیتشان مطلوب‌تر کند. نتیجه این آزمایش که هفته قبل در ساینس منتشر شد، گذار گاز از بالای صفر مطلق تا مقدار بسیار کم یک میلیادرم زیر صفر مطلق کلوین را نشان می‌دهد.
آزمایش فوق عجیب!
ولفانگ کترل، از فیزیکدانان ام‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌آی‌تی است که به خاطر آزمایش پنجمین حالت ماده (چگالش بوز-اینشتین) موفق به دریافت جایزه نوبل شد و پیش از این دماهای مطلق منفی را در سیستم مغناطیسی تشریح کرده بود. وی این کار تازه را یک "کار بسیار تخصصی آزمایشگاهی" می‌نامد و می‎گوید: «حالت‌های ناپایدار پرانرژی که تولید آنها در آزمایشگاه در دماهای مثبت سخت است، در دماهای مطلق منفی پایدار می‌شوند. ای کار مانند این است که شما بتوانید بر روی یک هرم که روی راس خود قرار دارد بایستید و نگران واژگون شدن آن نباشید. در نتیجه چنین تکنیک‌هایی می‌توانند بررسی دقیق‌تر این حالت‌های انرژی را امکان پذیر سازند. این شاید راهی برای تولید اشکال جدیدی از مواد در آزمایشگاه باشد».
به گفته آخیم روش، فیزیکدان نظری در دانشگاه کلن آلمان، اگر چنین سیستم‌هایی ساخته شوند، رفتارهای غریبی از خود بروز خواهند داد. او کسی است که شیوه مورد استفاده توسط اشنایدر و گروهش را پیشنهاد داده بود. برای مثال، روش و گروهش حساب کرده‌اند که در حالی که ابرهای اتمی در حالت عادی توسط نیروی جاذبه پایین کشیده می‌شوند، اگر بخشی از این ابر یک دمای مطلق منفی داشته باشد، برخی از اتم‌ها به سمت بالا حرکت می‌کنند، و به نظر می‌رسد که جاذبه زمین را دفع می‌کنند.
یک ویژگی عجیب دیگر گازهای با دمای زیر صفر مطلق این است که «انرژی تاریک» را شبیه‌سازی می‌کنند، همان نیروی مرموزی که جهان را به رغم نیروی مرکزگرای گرانش با سرعتی روزافزون به انبساط واداشته است. اشنایدر اشاره می‌کند که اتم‌های جاذب موجود در گاز تولید شده توسط گروه او هم تمایل به فروپاشی در خود دارند، ولی نه به این خاطر که دمای مطلق منفی آنها را پایدار می‌سازد. او می‌گوید: «این جالب است که این ویژگی غریب هم در دنیا و هم در آزمایشگاه خود را نشان می‌دهد. این شاید چیزی باشد که کیهان شناسان باید دقیق‌تر ببینند».