Çin uzay istasyonu atomları 9,7 pikokelvine soğuttu, ölçülen en düşük sıcaklık

Çin’in Tiangong uzay istasyonundaki bir rubidyum atomu bulutu, mutlak sıfırın derecenin trilyonda onundan daha az üzerindeki bir sıcaklığa kadar soğutuldu. Bu, bir atom gazı için şimdiye kadar bildirilen en düşük sıcaklık. Bu sonuç, daha önce Dünya’da veya yörüngede elde edilen en iyi sonuçtan kabaca dört kat daha soğuk.

Rekor, sayıdan çok sağladığı imkanlar açısından önemli. Bu soğuklukta atomlar o kadar yavaş birbirinden uzaklaşıyor ki ekip, bulutu serbest bıraktıktan sonra yedi saniye boyunca gözlemleyebildi. Bu süre, yer laboratuvarlarının ulaşamayacağı bir hassasiyetle yerçekimini, kuantum davranışını ve muhtemelen karanlık maddeyi test etmek için yeterince uzun bir pencere açıyor.

Atomlar, binlerce atomun bireyselliklerini kaybedip tek bir kuantum dalgası gibi davrandığı bir madde hali olan Bose-Einstein yoğunlaşması oluşturdu. Pekin Üniversitesi, Şanghay Optik ve Hassas Mekanik Enstitüsü ve Çin Bilimler Akademisi Teknoloji ve Mühendislik Uzay Kullanımı Merkezi’nden araştırmacılar, deneyi istasyonun Mengtian laboratuvar modülündeki soğuk atom fizik rafında gerçekleştirdi ve sonuçları Science dergisinde yayımladı.

Bulut, 20.000 atom rubidyum-87 içeriyordu. Eşdeğer sıcaklığı 9,7 pikokelvin olarak ölçüldü ve belirsizlik aralığı 7,0 ila 12,9 pikokelvin arasında değişiyor. Bu tür bir sistem için daha önceki en düşük değer 38 pikokelvindi ve Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki NASA’nın Soğuk Atom Laboratuvarı 52 pikokelvine ulaşmıştı.

On tonluk bir laboratuvar istasyon rafına nasıl sığdırıldı

Atomları soğutmak, onları yavaşlatmak anlamına geliyor. Ekip, rubidyumu optik dipol tuzağı adı verilen çapraz lazer ışınlarıyla hapsetti, ardından en enerjik atomların kaçabilmesi için lazer gücünü adım adım düşürdü. Bu, en sıcak moleküllerin buhar olarak ayrıldığı bir fincan kahvenin soğumasıyla aynı prensip olan buharlaştırmalı soğutmadır.

Mikro yerçekiminde bu yöntem daha az işe yarar çünkü atomlar artık kaçış yolunun bulunduğu tuzağın dibine çökelmez. Araştırmacılar, buharlaşmayı yönlendirmek ve bir yoğunlaşma elde etmek için zayıf bir manyetik gradyan ekledi. Ardından, tuzağın ani bir şekilde adyabatik olmayan genişlemesi atomları daha da yavaşlattı.

Bu türdeki diğer tüm rekorlar, atom çipleri üzerine inşa edilmiş manyetik tuzaklar kullanılarak elde edilmişti. Lazerlerin yörüngede çalıştırılması daha zordur, ancak manyetik girişime karşı daha az hassastırlar, optik erişim için daha fazla alan bırakırlar ve manyetik alanları tamamen görmezden gelen atomları hapsedebilirler. Şanghay Enstitüsü’nden araştırmacı Li Tang, Xinhua’ya göre, “Mühendislik zorluğu, birden fazla ileri teknolojiyi katı havacılık gereksinimleri altında yoğunlaştırmaktı.”

Deneyin yerdeki versiyonu yaklaşık 20 metreküp alan kaplıyor ve yaklaşık 10 ton ağırlığında. Uçuş rafı ise 0,7 metreküp ve yarım ton ağırlığında olup, ultra yüksek vakum sistemi, yüksek güçlü fiber lazerler ve frekans stabilize optikleri, sıkı güç sınırlamaları altında otomatik olarak çalışıyor.

Uzayın derinliklerinden yüz milyarlarca kat daha soğuk

Mutlak sıfır olan eksi 273,15 santigrat derece, atomik hareketin tamamen duracağı noktadır. Boş uzay o kadar soğuk değildir: Büyük Patlama’nın zayıf art ışıması onu mutlak sıfırın yaklaşık 2,7 derece üzerinde tutar. Kelvin ölçeğinde ölçüldüğünde, Tiangong bulutu bundan yaklaşık 280 milyar kat daha soğuktu.

Önceki en iyi değer olan 38 pikokelvin, bir Alman ekibinin bir atom çipi deneyini Bremen düşme kulesinden aşağı atarak birkaç saniyelik ağırlıksızlık elde etmesiyle gelmişti. Düşme kulelerinin yüksekliği sınırlıdır. Yörüngedeki bir istasyon ise sürekli serbest düşüş halindedir, bu nedenle deney atomlar tutarlı kaldığı sürece devam edebilir.

Gözlem süresi, farkın en çok açıldığı noktadır. Ekibe göre, yer deneyleri serbest bırakılan bir bulutu görüş alanından düşmeden önce yaklaşık 0,05 saniye takip edebilirken, Uluslararası Uzay İstasyonu yaklaşık bir saniye, Çin istasyonu ise şu anda yedi saniyeye ulaşıyor. Bose-Einstein yoğunlaşmalarını yarattığı için Nobel Ödülü’nü paylaşan MIT fizikçisi Wolfgang Ketterle, Çin’in CGTN kanalına yaptığı açıklamada, “Dünya’da yaklaşık 250 metre aşağı düşerdi, yani 250 metre yüksekliğinde bir vakum odanız yoksa aslında yere çakılırdı” dedi.

Eşdeğer sıcaklığın ne anlama gelip gelmediği

9,7 pikokelvin bir termometre okuması değildir. Araştırmacılar bunu, bulutun serbest bırakıldıktan sonra ne kadar yavaş yayıldığından çıkarır ve bu genişleme hızını, bir gazın o kadar yavaş hareket etmesi için gereken sıcaklığa dönüştürür. Bu değer yalnızca atomları tanımlar: araştırmacılar, ekipmanın ve çevresinin bu sıcaklığa hiçbir zaman yaklaşmadığına dikkat çekiyor.

Hata payı geniştir, yaklaşık yüzde 30 oranında her iki yönde de sapma gösterir ve sonuç tek bir tesisten gelmektedir ve henüz bağımsız olarak tekrarlanmamıştır. Eski rekorlarla karşılaştırmalar da yöntemleri karıştırmaktadır: düşme kuleleri, manyetik çipler ve şimdi de lazer tuzakları, sayılarına farklı hapsetme ve son soğutma yöntemleriyle ulaşmaktadır, bu nedenle aradaki fark kesin bir sıralamadan ziyade bir kılavuz niteliğindedir.

Bulut ayrıca küçüktür. Yirmi bin atom temiz bir yoğunlaşma için yeterlidir, ancak hassas aletler daha büyük örneklerden duyarlılık kazanır. Sistemin rutin olarak hem daha fazla atom hem de uzun süreli tutarlılık sağlayıp sağlayamayacağı, cevaplanması gereken mühendislik sorusudur.

Yedi saniyenin rekordan neden daha önemli olduğu

Bir atom interferometresi, her bir atomun kuantum dalgasını iki yola ayırır ve yeniden birleştirir, böylece ivmedeki küçük farklılıkları ölçülebilir bir sinyale dönüştürür. Duyarlılığı, atomların içinde geçirdiği sürenin karesiyle artar. CGTN’nin aktardığına göre, Leibniz Üniversitesi Hannover’den fizikçi Ernst Rasel, “Atom interferometreleri, çok sayıda atomu aşırı soğuk bir toplulukta ve uzun gözlem sürelerinde sağlayan kaynaklardan büyük ölçüde yararlanır” dedi.

Bu tür aletler, Dünya’nın yerçekimi alanını yörüngeden haritalayabilir ve farklı bileşimdeki nesnelerin gerçekten aynı hızda düşüp düşmediğini test edebilir; bu, Einstein’ın görelilik kuramının temel taşlarından biridir. Lazer tuzakları ayrıca, atomları bir kristal gibi tutan ve fizikçilerin doğrudan incelenmesi zor olan malzemeleri simüle etmesine olanak tanıyan optik kafesler halinde şekillendirilebilir. Xinhua’ya göre, makalenin ortak ilk yazarı Pekin Üniversitesi’nden Xiong Wei, “Ne kadar uzun süre gözlem yapabilirsek, yeni ve daha zayıf fiziksel olaylar bulma olasılığımız o kadar artar” dedi.

Şimdiye kadar kaydedilen en düşük sıcaklık hakkında sık sorulan sorular

Şimdiye kadar kaydedilen en düşük sıcaklık nedir?

Bir atom gazı için şimdiye kadar bildirilen en düşük eşdeğer sıcaklık, Çin’in Tiangong uzay istasyonunda ulaşılan 9,7 pikokelvindir. Bu, mutlak sıfırın derecenin trilyonda 9,7’si kadar üzerinde demektir. Önceki rekor 38 pikokelvindi.

Bose-Einstein yoğunlaşması nedir?

Belirli atomlardan oluşan bir gaz mutlak sıfıra yakın soğutulduğunda oluşan bir madde halidir. Atomlar aynı kuantum durumuna düşer ve tek bir dalga gibi hareket eder, bu da kuantum etkilerini fotoğraflanabilecek kadar büyük bir ölçekte görünür kılar.

Soğuk atom deneyleri neden uzayda daha iyi çalışır?

Dünya’da yerçekimi atomları zayıf tuzaklardan çeker ve serbest bırakılan bir bulutun saniyenin çok küçük bir bölümünde düşmesine neden olur. Yörüngede atomlar yüzer, böylece tuzak daha yumuşak hale getirilebilir, bu da onları daha da soğutur ve bulut birkaç saniye boyunca izlenebilir.

Herhangi bir şey mutlak sıfıra ulaşabilir mi?

Hayır. Termodinamik yasaları tam olarak sıfır kelvine ulaşmayı yasaklar, bu nedenle deneyler yalnızca giderek yaklaşabilir. Her adım daha da zorlaşır, bu nedenle 38 pikokelvinden 10 pikokelvinin altına inmek büyük bir sıçrama olarak kabul edilir.

Dış ekiplere açık bir yörünge laboratuvarı

Soğuk atom rafı, ilk fizibilite çalışmalarına 2011’de başlanan bir projenin ardından 2022’de Mengtian modülüyle birlikte yörüngeye çıktı ve rekor, 5 Kasım 2026’da Science dergisinde çevrimiçi olarak yayımlandı. Rasel, bir sonraki adımı, atomları birkaç saniye boyunca tutarlı bir şekilde bölünmüş halde tutan yörüngedeki interferometreler olarak görüyor. Çin’in insanlı uzay programının uzay uygulama sisteminin baş tasarımcısı Lyu Congmin, rafın, kendi deneylerini yapmak isteyen dünyanın dört bir yanındaki bilim insanlarına açık olduğunu söyledi.

Kaynak: Xiong et al., “Quantum gases below 10 picokelvin in space,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

Etiketler: fizik, Bose-Einstein yoğuşması, Çin Bilimler Akademisi, kuantum fiziği, Mengtian, mutlak sıfır