מדענים הדגימו ניסוי שהמרצה שלכם לפיזיקה אולי אמר לכם כי הוא לחלוטין אינו אפשרי– הם יצרו חומר בטמפרטורה שהיא מתחת לאפס המוחלט. והעולם שמעבר לאפס המוחלט הוא עולם יוצא דופן לגמרי.
לחלק הראשון שפורסם בשבוע שעבר – מהירות התגובה באפס המוחלט
מדענים הדגימו ניסוי שהמרצה שלכם לפיזיקה אולי אמר לכם כי הוא לחלוטין אינו אפשרי– הם יצרו חומר בטמפרטורה שהיא מתחת לאפס המוחלט. והעולם שמעבר לאפס המוחלט הוא עולם יוצא דופן לגמרי.
אטומים המרחפים לכיוון מעלה, מתעלמים לחלוטין מכוח הכבידה. במסגרת התופעה שפיזיקאים תיאורטיים סבורים כי היא מחקה את המצב של "האנרגיה האפלה", האטומים אפילו יציבים בתנאים שבמצב רגיל היו קורסים לתוך עצמם. זה כאילו שכוח הכבידה עצמו התבטל ומערכים אנרגטיים שבאופן רגיל היו מובילים לחוסר יציבות, הופכים לפתע ליציבים ואפשריים. בקיצור – הגענו לאזור הדמדומים של פיזיקת החלקיקים.
פרופסורWolfgang Ketterle מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) הינו חוקר חלוצי בתחום של טמפרטורות שמתחת לאפס המוחלט. באחת מהצהרותיו הוא אמר: "עם טמפרטורות שמתחת לאפס המוחלט זה כאילו שאתה מסוגל להעמיד פירמידה על ראשה ולא לדאוג יותר שהיא תתמוטט לה".
ביחד עם פרופסור Ulrich Schneider מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן גרמניה, צוות המחקר הדגים לראשונה אי-פעם מקרה שבו חומר המצוי בטמפרטורה שמתחת לאפס המוחלט שובר את חוקי הפיזיקה המוכרים לנו. המחקר החל עם יצירתו של גז קוונטי יוצא דופן באמצעות אלומות לייזר ומגנטים. הגז, המורכב מאטומי אשלגן, מתארגן בתצורה של מבנה גבישי. שינוי קיצוני בשדות המגנטים המופעלים על החומר מביא להעברת אטומים מרמת האנרגיה הנמוכה ביותר האפשרית לרמת האנרגיה הגבוהה ביותר האפשרית.
בתנאים רגילים, כוח הדחייה המייצב של המצבים המקוריים היה מתחלף בכוח משיכה עוצמתי שהיה גורם למערכת לקרוס לתוך עצמה. אולם, במקום זאת, הודות לאלומות הלייזרים הלוכדות את האטומים, המבנה נותר יציב במצב האנרגטי המעורר החדש. מסביר פרופסור שניידר: "השינוי הפתאומי הזה (בשדות המגנטיים) מעביר את האטומים מהמצב האנרגטי היציב ביותר שלהם, הנמוך, למצב האנרגטי הגבוה ביותר האפשרי לפני שאטומים אלו מספיקים להגיב. זהו כאילו שאתם צועדים בתוך עמק, ואז באופן מידי מוצאים את עצמכם על פסגת ההר". התוצאה היא קבלת גז שבמסגרת ההגדרה הרשמית של סולם הטמפרטורות לפי קלווין נמצא בטמפרטורה של מספר מיליארדיות מתחת לאפס המוחלט של קלווין (0 K).
יחד עם זאת, אל נא נתבלבל – המערכת הנמצאת בטמפרטורה שמתחת לאפס המוחלט אינה קרה. למעשה, היא מאוד מאוד חמה, אפילו יותר חמה מכל טמפרטורה חיובית אחרת בסולם קלווין. במערכות של טמפרטורות חיוביות קרות יותר, מספר החלקיקים במצבים נמוכי-אנרגיה עולה על מספר החלקיקים במצבים גבוהי-אנרגיה, מצב המוליד את ההגדרה הרשמית של טמפרטורה בעולם המכניקה הקוונטית. באופן שכיח, האנטרופיה (מדד פיזיקלי לרמת האי-סדר של מערכת המורכבת מחלקיקים רבים) בממוצע, גורמת לאטומים להימצא במצבים האנרגטיים הנמוכים ביותר. סולם הטמפרטורות של לורד קלווין מבוסס על הסתברות, ולא בהכרח על מידת החום. אולם, במערכות מיוחדות של מכאניקת הקוונטים, האנטרופיה למעשה יורדת ככל שאנרגית המערכת (והחום שלה) עולה, מצב המוביל לטמפרטורה קוונטית שלילית. במילים אחרות, בכדי להבין את פריצת הדרך המופלאה הזו, עלינו לזנוח את התובנות המסורתיות שלנו הקובעות כי שלילי הוא קור וחיובי הוא חום, ולהתחיל לחשוב במונחים קוונטיים.
האם מצב כזה יכול להסביר את ההתפשטות המהירה מהצפוי של היקום (תופעה שהקוסמולוגים מייחסים אותה למה שמכונה "אנרגיה אפלה" שהיא עצמה מנגנון בלתי מוסבר)? פרופסור שניידר טוען כי שווה לבחון את האפשרות הזו. הוא מוסיף ואומר: "מעניין שהתופעה הזו מתקיימת הן ביקום כולו והן במעבדה. זה משהו שכדאי שהקוסמולוגים יבחנו ביתר פרוט". חומרים המתקיימים בטמפרטורות שמתחת לאפס המוחלט יוכלו להיות שימושיים הן בתחומים של פיזיקת חלקיקים תיאורטית והן עבור מחשוב קוונטי. יחד עם זאת, עדיין נדרשת עבודה נוספת ומרובה בכדי להבין את הסטייה החדשה והמוזרה הזו בחוקי הפיזיקה. המחקר פורסם בכתב-העת המדעי היוקרתי Science.
הידיעה על המחקר באתר נייצ'ר
