Co je nejpomalejší věc na Zemi?

Zvědavé děti je seriál pro děti každého věku. Pokud máte otázku, na kterou byste chtěli znát odpověď odborníka, pošlete ji na adresu [email protected].

Co je nejpomalejší věc na Zemi? – Jiwon, Brookline, Massachusetts

Slovy nechvalně proslulého padoucha Dr. Evila: „Lasery“.

Lasery zaměřují úzký, směrovaný paprsek světla na určité místo, což z nich dělá skvělý nástroj pro řezání, pálení, svařování – nebo v případě Dr. Zlého pro střílení nepřátel z vrcholu žraloka. Všechny tyto činnosti produkují nebo vyžadují teplo. Laserové paprsky se pohybují rychlostí světla, více než 670 milionů kilometrů za hodinu, což z nich činí nejrychlejší věc ve vesmíru.

Takže jak laser vyrobí nejpomalejší věc na světě?

Nejprve je důležité pochopit vztah mezi teplotou objektu a jeho rychlostí. Čím je něco teplejší, tím více energie to má a tím rychleji se to pohybuje. Dokonce i věci, které se zdají být dokonale nehybné – například pero nebo váš notebook – nejsou. Na mikroskopické úrovni se částice, z nichž jsou složeny, rychle pohybují. To platí dokonce i pro živé bytosti.

Použijme jako příklad lenochoda. Pokud si přiblížíte molekuly, které tvoří tělo tohoto známého pomalého zvířete, uvidíte, že se chovají jako děti skákající uvnitř skákacího hradu. Proč? Asi 70 % těla tohoto tvora tvoří voda a tyto molekuly vody poskakují rychlostí stovek kilometrů za hodinu.

Chlazení laserem

Může se tedy zdát překvapivé, že při svých laboratorních pokusech používám k chlazení jasné a intenzivní lasery. Jsem fyzik, kterého zajímá, jak se chovají atomy a molekuly při těch nejnižších teplotách. Je to zvláštní svět, kde vládne kvantová mechanika. V této říši se částice někdy chovají jako vlny v oceánu a věřte nebo ne, někdy mohou být na dvou různých místech současně.

Pro studium tohoto mimořádného chování používám lasery, které vytvářejí mračna mrazivých atomů, jež jsou nejchladnějšími věcmi na Zemi – říkáme jim Boseho-Einsteinovy kondenzáty. Když ochladíte hromadu atomů na téměř absolutní nulu, což je nejchladnější možná teplota, atomy se začnou řídit kvantovou mechanikou a chovají se překvapivým způsobem.

Studium ultrachladných atomových mračen by mohlo poskytnout vodítko k tomu, jak fungují další podivné materiály, například supravodiče. Supravodiče přenášejí elektrickou energii mnohem lépe než stávající materiály, a to tak dobře, že by jednou mohly být použity ke stavbě superrychlých vlaků.

Vytvoření nejpomalejší věci na Zemi

Takže jak přesně lasery ochladí oblak atomů? V laboratoři začínáme tím, že svítíme lasery na atomy stříbřitě bílého kovu zvaného ytterbium. Tyto atomy, které jsou opravdu horké, jsou umístěny v metr široké komoře. Po několika vteřinách pod laserovým paprskem se však ochladí, zpomalí a uvězní se uprostřed komory.

Jak se to stane? Veškeré světlo, včetně laseru, se skládá z fotonů, což jsou balíčky energie, které se neustále pohybují. Když do naší komory posvítíme laserem, atomy se srazí s proudy fotonů v paprsku, zpomalí se a ochladí – podobně jako by se stalo, kdybyste se pokusili běžet opravdu rychle proti silnému větru.

Tyto malé srážky sníží teplotu mraku atomů na pouhých několik miliontin stupně nad absolutní nulu. To je 459 stupňů pod 0 stupňů Fahrenheita.

Ale to stále nestačí na to, aby tento oblak získal cenu za nejpomalejší věc na Zemi. K tomu, aby byl ještě o něco chladnější, je zapotřebí poslední krok – technika, kterou fyzikové nazývají „odpařovací chlazení“.

Nejprve zachytíme všechny atomy, někdy pomocí magnetického pole, které vytvoříme tak, že přes navinutý drát pustíme elektřinu. Tím vytvoříme neviditelnou studnu, ve které se atomy udrží: Představte si kuličky ležící na dně misky. Pak snížíme strany tohoto silového pole ve tvaru misky tím, že zmenšíme elektrický proud, který prochází drátem. To umožní rychlejším a teplejším atomům vyjet z „misky“ a uniknout z pasti.

Zůstanou jen pomalejší atomy – a ty jsou skutečně za bodem mrazu: jedna desetina miliontiny stupně nad absolutní nulou. Atomy v tomto mraku se pohybují zpomaleně: Kdyby se místo poskakování pohybovaly po přímce, trvala by jim cesta přes celou místnost celou hodinu. Pro srovnání: molekuly ve vašem těle by tuto místnost proběhly za pouhý zlomek sekundy.

Atomy v našem mrazivém atomovém mraku se doslova pohybují rychlostí menší než hlemýždí – a tento mrak je nejpomalejší věcí na Zemi.

Ahoj, zvídavé děti! Máte nějakou otázku, na kterou byste chtěli znát odpověď od odborníka? Požádejte dospělého, aby vaši otázku poslal na adresu [email protected]. Sdělte nám prosím své jméno, věk a město, kde žijete.

A protože zvědavost nemá věkové omezení – dospělí, dejte nám vědět, co vás také zajímá. Nebudeme schopni odpovědět na každou otázku, ale budeme se snažit.

.