Çin’e ait Tiangong Uzay İstasyonu’nda gerçekleştirilen deneyde bilim insanları, atomları 9,7 pikokelvine kadar soğutarak şimdiye kadar ölçülen en düşük eşdeğer sıcaklık rekorunu kırdı.

Haber Merkezi / Mutlak sıfıra yaklaşma yolunda elde edilen bu başarı, kuantum fiziği ve gelecekteki hassas ölçüm teknolojileri için yeni araştırma olanaklarının kapısını araladı.

Bilim insanları, uzayda gerçekleştirdikleri deneyle şimdiye kadar ölçülen en düşük eşdeğer sıcaklığa ulaştı. Çin’e ait Tiangong Uzay İstasyonu’nda yapılan çalışmada rubidyum atomları 9,7 pikokelvine kadar soğutuldu. Bu değer, mutlak sıfıra ulaşmanın mümkün olmadığı bilinen fizik kuralları çerçevesinde, insanlığın şimdiye kadar elde ettiği en düşük sıcaklıklardan biri olarak kayıtlara geçti.

Görünüşte tamamen boş olan uzay, aslında mutlak bir soğukluğa sahip değil. Yaklaşık 13,8 milyar yıl önce meydana gelen Büyük Patlama’dan geriye kalan kozmik mikrodalga arka plan ışınımı, evrenin her noktasına yayılıyor. Bu nedenle uzayın ortalama sıcaklığı yaklaşık 2,7 Kelvin, yani -270,45 santigrat derece olarak ölçülüyor.

Bilim insanları ise şimdi bu sıcaklığın çok daha altındaki değerlere ulaşmayı başardı. Çin’in Tiangong Uzay İstasyonu’nda gerçekleştirilen deneyde elde edilen 9,7 pikokelvinlik eşdeğer sıcaklık, araştırmacılara göre şimdiye kadar ölçülen en düşük değer oldu. Sonuçlar, Science dergisinde yayımlandı.

Yerçekiminin Etkisinden Yararlanmak Yerine Onu Taklit Ettiler

Mutlak sıfır, yani sıfır Kelvin, sıcaklığın teorik olarak ulaşabileceği en düşük sınır olarak kabul ediliyor. Bu noktada termal enerji en düşük seviyesine iner. Ancak fizik yasaları gereği mutlak sıfıra tam olarak ulaşmak mümkün değil. Sıcaklık bu sınıra yaklaştıkça kalan enerjiyi uzaklaştırmak giderek zorlaşıyor.

Bu sınırın ötesindeki fiziksel olayları araştırmak isteyen bilim insanları, atomları son derece düşük sıcaklıklara soğutarak Bose-Einstein yoğunlaşması adı verilen özel bir madde hâli oluşturuyor. Bu durumda atomlar, birbirinden bağımsız parçacıklar gibi davranmayı bırakıp tek bir kuantum sistemi gibi hareket etmeye başlıyor. Böylece kuantum dünyasında normal koşullarda yalnızca atom ölçeğinde gözlemlenebilen etkiler, çok daha büyük ölçekte incelenebiliyor.

Ancak bu yoğunlaşmayı oluşturmak ve atomları uzun süre gözlemleyebilmek Dünya’daki laboratuvarlarda yerçekimi nedeniyle zorlaşıyor. Bu nedenle araştırmacılar deneylerini uzay ortamına taşıdı.

Pekin Üniversitesi’nden Xiaoji Zhou ve Xuzong Chen ile Çin Bilimler Akademisi’nden Weibiao Chen’in öncülük ettiği ekip, deneyde rubidyum-87 atomlarını kullandı. Önce lazerlerle soğutulan atomlar, özel bir cihazdaki optik tuzakta bir arada tutuldu. Ardından buharlaşmalı soğutma yöntemi uygulandı. Bu yöntemde enerjisi en yüksek atomların ortamdan ayrılması sağlanarak geride kalan atomların sıcaklığı düşürülüyor.

Ancak mikro yerçekimi ortamı, bu kez farklı bir sorun ortaya çıkardı. Dünya’da yerçekimi, tuzaktan ayrılan atomların uzaklaşmasına yardımcı olurken uzayda bu etki bulunmuyor. Araştırmacılar sorunu aşmak için manyetik alan gradyanı kullanarak yerçekiminin etkisini taklit etti ve yüksek enerjili atomların tuzaktan daha verimli biçimde ayrılmasını sağladı.

Atomlar Yedi Saniye Boyunca Gözlemlenebildi

Bu işlemlerin ardından yaklaşık 20 bin rubidyum atomundan oluşan ve 3,1 nanokelvine kadar soğutulmuş bir Bose-Einstein yoğunlaşması elde edildi. Araştırmacılar daha sonra atom bulutunu lazer ışığından oluşturulan ikinci bir tuzağa aktardı. Tuzağın etkisini aşamalı olarak azaltarak atomların genişlemesini sağladılar. Son aşamada tuzak tamamen kapatıldı ve atom bulutu serbest bırakıldı.

Atomların yayılması son derece yavaş gerçekleşti. Araştırmacılar, bulutu serbest bırakılmasından yedi saniye sonra bile gözlemleyebildi. Yayılma hızından hareketle yapılan hesaplamalar sonucunda 9,7 pikokelvinlik eşdeğer sıcaklık değeri elde edildi.

Bu ölçüm, geleneksel anlamda doğrudan bir sıcaklık ölçümü değil. Atomların hareketinden kaynaklanan enerjiye dayalı bir eşdeğer sıcaklık hesabı yapılıyor. Atomlar ne kadar yavaş hareket ederse o kadar uzun süre gözlemlenebiliyor ve kontrol edilebiliyor. Bu da bilimsel ölçümlerin hassasiyetini artırıyor.

Kuantum Fiziği Araştırmalarında Yeni Dönem

Araştırmanın önemi yalnızca sıcaklık rekoruyla sınırlı değil. Elde edilen sonuçların, kuantum fiziği ve hassas ölçüm teknolojilerinde yeni çalışmaların önünü açması bekleniyor.

Özellikle atom interferometrisi alanında önemli gelişmeler sağlanabileceği değerlendiriliyor. Atomların dalga benzeri özelliklerinden yararlanan bu yöntem, çevredeki son derece küçük değişimlerin ölçülmesini mümkün kılıyor. Atomların daha uzun süre gözlemlenebilmesi, yerçekiminin tüm cisimleri kütle ve bileşimlerinden bağımsız olarak aynı şekilde etkilediğini öngören eşdeğerlik ilkesi gibi temel fizik yasalarının daha hassas biçimde test edilmesine yardımcı olabilir.

Araştırmacılar ayrıca uzayda ultra soğuk kuantum gazları üretmenin, Dünya’daki laboratuvarlarda incelenmesi güç olan egzotik madde hâllerinin araştırılmasına imkân sağlayacağını belirtiyor.

Bilim insanlarına göre tamamen optik sistemlerle çalışan bu ultra soğuk platform, gelecekteki uzay görevlerinde kuantum simülasyonu ve hassas ölçüm çalışmaları için önemli bir altyapı oluşturabilir.