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Was ist das langsamste Ding auf der Welt? – Jiwon, Brookline, Massachusetts

Mit den Worten des berüchtigten Bösewichts Dr. Evil: „Laser“.

Laser fokussieren einen schmalen, gerichteten Lichtstrahl auf einen bestimmten Punkt und eignen sich daher hervorragend zum Schneiden, Brennen, Schweißen – oder, wie im Fall von Dr. Evil, zum Abschießen von Feinden von einem Hai aus. Bei all diesen Tätigkeiten wird Wärme erzeugt oder benötigt. Laserstrahlen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, d. h. mit mehr als 670 Millionen Meilen pro Stunde, und sind damit das schnellste Ding im Universum.

Ein Foto von Dr. Evil am Set während der Dreharbeiten zum Film Austin Powers. Handout/Hulton Archive via Getty Images

Wie kann ein Laser das langsamste Ding der Welt erzeugen?

Zunächst ist es wichtig, die Beziehung zwischen der Temperatur eines Objekts und seiner Geschwindigkeit zu verstehen. Je heißer etwas ist, desto mehr Energie hat es und desto schneller bewegt es sich. Selbst Dinge, die scheinbar völlig ruhig sind – wie ein Kugelschreiber oder Ihr Notebook – sind es nicht. Auf mikroskopischer Ebene bewegen sich die Teilchen, aus denen sie bestehen, schnell. Das gilt sogar für Lebewesen.

Nehmen wir das Faultier als Beispiel. Wenn man die Moleküle, aus denen der Körper dieses bekanntlich langsamen Tieres besteht, heranzoomt, sieht man, dass sie sich wie Kinder verhalten, die in einer Hüpfburg herumspringen. Und warum? Der Körper dieser Kreatur besteht zu etwa 70 % aus Wasser, und diese Wassermoleküle hüpfen mit Hunderten von Kilometern pro Stunde umher.

Laserkühlung

Es mag überraschen, dass ich in meinen Laborexperimenten helle, intensive Laser zur Abkühlung von Dingen verwende. Ich bin Physikerin und interessiere mich dafür, wie sich Atome und Moleküle bei den kältesten Temperaturen verhalten. Es ist eine seltsame Welt, in der die Quantenmechanik herrscht. In dieser Welt verhalten sich Teilchen manchmal wie Wellen im Ozean und können sich, ob Sie es glauben oder nicht, manchmal an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig befinden.

Um dieses außergewöhnliche Verhalten zu untersuchen, verwende ich Laser, um Wolken aus kalten Atomen zu erzeugen, die die kältesten Dinge auf der Erde sind – wir nennen sie Bose-Einstein-Kondensate. Wenn man eine Ansammlung von Atomen auf fast den absoluten Nullpunkt abkühlt, die kälteste mögliche Temperatur, beginnen die Atome der Quantenmechanik zu gehorchen und verhalten sich auf überraschende Weise.

Die Untersuchung ultrakalter Atomwolken könnte Aufschluss darüber geben, wie andere merkwürdige Materialien, wie Supraleiter, funktionieren. Supraleiter leiten Elektrizität viel besser als bestehende Materialien, so gut, dass sie eines Tages für den Bau von Hochgeschwindigkeitszügen verwendet werden könnten.

1995 kühlten Forscher Atome so tief wie nie zuvor und schufen einen neuen Zustand der Materie, der von Albert Einstein vorhergesagt worden war. Diese Grafik zeigt Schnappschüsse, als sich die Atome von eher ausgedehnten roten, gelben und grünen Bereichen zu sehr dichten blauen und weißen Bereichen verdichteten. NIST/JILA/CU-Boulder

Das langsamste Ding der Welt

Wie genau bringen Laser eine Atomwolke zum Abkühlen? Im Labor beginnen wir damit, Atome eines silbrig-weißen Metalls namens Ytterbium mit Lasern zu beschießen. Diese Atome, die sehr heiß sind, werden in einer 1 Fuß breiten Kammer gehalten. Aber nach einigen Sekunden unter dem Laserstrahl kühlen sie ab, werden langsamer und bleiben in der Mitte der Kammer zusammen gefangen.

Wie kann das passieren? Alles Licht, auch das eines Lasers, besteht aus Photonen, das sind Energiepakete, die sich ständig bewegen. Wenn wir einen Laser in unsere Kammer leuchten lassen, stoßen die Atome mit den Photonenströmen im Strahl zusammen und werden langsamer und kälter – so wie es passieren würde, wenn man versucht, sehr schnell gegen einen starken Wind zu rennen.

Diese kleinen Zusammenstöße bringen die Temperatur der Atomwolke auf nur wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt herunter. Das sind 459 Grad unter 0 Grad Fahrenheit.

Aber das ist immer noch nicht genug, um dieser Wolke den Preis für das langsamste Ding auf der Erde zu verleihen. Es braucht noch einen letzten Schritt, um sie ein wenig kälter zu machen, eine Technik, die wir Physiker „Verdunstungskühlung“ nennen.

Zunächst fangen wir alle Atome ein, manchmal mit Hilfe eines Magnetfeldes, das durch Strom in einem aufgewickelten Draht erzeugt wird. Dadurch entsteht ein unsichtbarer Brunnen, der die Atome festhält: Stellen Sie sich Murmeln vor, die auf dem Boden einer Schüssel liegen. Dann senken wir die Seiten dieses schüsselförmigen Kraftfelds, indem wir den elektrischen Strom, der durch den Draht fließt, abschwächen. Dadurch können die schnelleren, wärmeren Atome aus der „Schüssel“ heraussausen und der Falle entkommen.

Nur die langsameren Atome bleiben zurück – und die sind wirklich jenseits des Gefrierpunkts: ein Zehntel eines Millionstel Grades über dem absoluten Nullpunkt. Die Atome in dieser Wolke bewegen sich in Zeitlupe: Würden sie sich in einer geraden Linie bewegen, anstatt herumzuspringen, bräuchten sie eine ganze Stunde, um einen Raum zu durchqueren. Zum Vergleich: Die Moleküle in deinem Körper könnten diesen Raum in einem Bruchteil einer Sekunde durchqueren.

Die Atome in unserer eiskalten Atomwolke bewegen sich buchstäblich im Schneckentempo – und diese Wolke ist das langsamste Ding auf der Erde.

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