Chińska stacja kosmiczna schłodziła atomy do 9,7 pikokelwina, to rekord zimna

Chmura atomów rubidu na pokładzie chińskiej stacji kosmicznej Tiangong została schłodzona do mniej niż dziesięciu bilionowych części stopnia powyżej zera absolutnego – to najniższa temperatura, jaką kiedykolwiek odnotowano dla gazu atomowego. Jest ona około czterokrotnie niższa od najlepszego wyniku osiągniętego wcześniej gdziekolwiek, zarówno na Ziemi, jak i na orbicie.

Znaczenie rekordu nie polega jednak przede wszystkim na samej liczbie, lecz na tym, co umożliwia. W tak niskiej temperaturze atomy rozchodzą się tak wolno, że zespół mógł obserwować chmurę przez siedem sekund po jej uwolnieniu – wystarczająco długo, by badać grawitację, zachowanie kwantowe, a potencjalnie także ciemną materię z precyzją nieosiągalną dla żadnego laboratorium naziemnego.

Atomy utworzyły kondensat Bosego-Einsteina, stan materii, w którym tysiące atomów tracą swoją odrębność i zachowują się jak jedna fala kwantowa. Badacze z Uniwersytetu Pekińskiego, Szanghajskiego Instytutu Optyki i Mechaniki Precyzyjnej oraz Centrum Technologii i Inżynierii Wykorzystania Przestrzeni Kosmicznej Chińskiej Akademii Nauk przeprowadzili eksperyment w stanowisku do fizyki zimnych atomów w laboratoryjnym module Mengtian stacji, a jego wyniki opisali w czasopiśmie Science.

Chmura zawierała 20 000 atomów rubidu-87. Jej temperatura równoważna wyniosła 9,7 pikokelwina, przy niepewności mieszczącej się w przedziale od 7,0 do 12,9 pikokelwina. Dotychczas najniższy wynik dla takiego układu wynosił 38 pikokelwinów, a Cold Atom Lab NASA na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej osiągnął 52 pikokelwiny.

Jak laboratorium ważące dziesięć ton zmieszczono w stacyjnym stanowisku

Schładzanie atomów oznacza spowalnianie ich ruchu. Zespół uwięził rubid za pomocą krzyżujących się wiązek laserowych, w układzie nazywanym optyczną pułapką dipolową, a następnie stopniowo zmniejszał moc lasera, aby najbardziej energetyczne atomy mogły uciec. To chłodzenie ewaporacyjne – ta sama zasada, która schładza filiżankę kawy, gdy najgorętsze cząsteczki uchodzą w postaci pary.

W mikrograwitacji ten mechanizm działa słabiej, ponieważ atomy nie opadają już ku dolnej części pułapki, gdzie znajduje się droga ucieczki. Badacze dodali słaby gradient magnetyczny, aby kierować procesem parowania i uzyskać kondensat. Ostatni etap, nagłe nieadiabatyczne rozszerzenie pułapki, dodatkowo spowolnił atomy.

Wszystkie wcześniejsze rekordy tego rodzaju wykorzystywały pułapki magnetyczne zbudowane na chipach atomowych. Lasery trudniej jest obsługiwać na orbicie, ale są mniej wrażliwe na zakłócenia magnetyczne, zapewniają więcej miejsca na dostęp optyczny i mogą utrzymywać atomy całkowicie niewrażliwe na pola magnetyczne. „Wyzwaniem inżynieryjnym było skupienie wielu najnowocześniejszych technologii przy spełnieniu rygorystycznych wymogów lotnictwa i astronautyki” – powiedział Li Tang, badacz z szanghajskiego instytutu, cytowany przez Xinhua.

Naziemna wersja eksperymentu zajmuje około 20 metrów sześciennych i waży około 10 ton. Stanowisko pokładowe zajmuje 0,7 metra sześciennego i waży pół tony, a jego system ultrawysokiej próżni, wysokiej mocy lasery światłowodowe oraz optyka stabilizowana częstotliwościowo działają automatycznie przy ścisłych ograniczeniach zużycia energii.

Setki miliardów razy zimniej niż w głębokiej przestrzeni kosmicznej

Zero absolutne, czyli minus 273,15 stopnia Celsjusza, to punkt, w którym ruch atomowy całkowicie by ustał. Pusta przestrzeń kosmiczna nie jest aż tak zimna: słaba poświata pozostała po Wielkim Wybuchu utrzymuje jej temperaturę na poziomie około 2,7 stopnia powyżej zera absolutnego. W skali Kelvina chmura na Tiangong była około 280 miliardów razy zimniejsza.

Poprzedni najlepszy wynik, 38 pikokelwinów, uzyskał niemiecki zespół, który zrzucił eksperyment z chipem atomowym w wieży zrzutowej w Bremie, aby zapewnić sobie kilka sekund nieważkości. Wieże zrzutowe szybko kończą się wysokością. Stacja orbitalna pozostaje w ciągłym swobodnym spadku, więc eksperyment może trwać tak długo, jak długo atomy zachowują koherencję.

Największa różnica pojawia się w czasie obserwacji. Eksperymenty naziemne mogą śledzić uwolnioną chmurę przez około 0,05 sekundy, zanim opadnie poza pole widzenia, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna pozwala na mniej więcej jedną sekundę, a chińska stacja osiąga obecnie siedem sekund – podaje zespół. „Na Ziemi atomy opadłyby o około 250 metrów, więc faktycznie uderzyłyby o ziemię, chyba że ma się komorę próżniową wysoką na 250 metrów” – powiedział Wolfgang Ketterle, fizyk z MIT, który współdzielił Nagrodę Nobla za stworzenie kondensatów Bosego-Einsteina, w rozmowie z chińską CGTN.

Co oznacza temperatura równoważna, a czego nie oznacza

Wartość 9,7 pikokelwina nie jest odczytem z termometru. Badacze wyprowadzają ją z tego, jak wolno chmura rozprzestrzenia się po uwolnieniu, przeliczając prędkość ekspansji na temperaturę, której gaz potrzebowałby, aby poruszać się tak wolno. Liczba opisuje wyłącznie atomy: naukowcy podkreślają, że aparatura i jej otoczenie nigdy nawet nie zbliżyły się do tej temperatury.

Margines błędu jest szeroki, około 30 procent w każdą stronę, a wynik pochodzi z jednego ośrodka i nie został jeszcze niezależnie powtórzony. Porównania ze starszymi rekordami łączą ponadto różne metody: wieże zrzutowe, chipy magnetyczne, a teraz pułapki laserowe osiągają swoje wyniki dzięki odmiennym metodom uwięzienia i końcowego chłodzenia, dlatego różnica stanowi wskazówkę, a nie precyzyjny ranking.

Chmura jest również niewielka. Dwadzieścia tysięcy atomów wystarcza do uzyskania czystego kondensatu, lecz czułość precyzyjnych instrumentów rośnie wraz z wielkością próbki. Otwartym pytaniem inżynieryjnym pozostaje, czy system będzie mógł rutynowo zapewniać jednocześnie większą liczbę atomów i długi czas koherencji.

Dlaczego siedem sekund znaczy więcej niż sam rekord

Interferometr atomowy rozdziela falę kwantową każdego atomu na dwie drogi, a następnie je łączy, zamieniając niewielkie różnice przyspieszenia w mierzalny sygnał. Jego czułość rośnie z kwadratem czasu, jaki atomy spędzają wewnątrz urządzenia. „Interferometry atomowe czerpią ogromne korzyści ze źródeł dostarczających dużą liczbę atomów w ultrazimnym zespole oraz długich czasów obserwacji” – powiedział Ernst Rasel, fizyk z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze, w komentarzu cytowanym przez CGTN.

Takie instrumenty mogłyby mapować z orbity ziemskie pole grawitacyjne i sprawdzać, czy obiekty o różnym składzie rzeczywiście spadają z tą samą prędkością – co jest kamieniem węgielnym teorii względności Einsteina. Pułapki laserowe można także formować w sieci optyczne, czyli siatki światła utrzymujące atomy niczym kryształ i pozwalające fizykom symulować materiały trudne do bezpośredniego zbadania. „Im dłużej możemy obserwować, tym większe prawdopodobieństwo, że znajdziemy nowe i słabsze zjawiska fizyczne” – powiedział Xiong Wei z Uniwersytetu Pekińskiego, współpierwszy autor publikacji, według Xinhua.

Najczęstsze pytania o najniższą temperaturę kiedykolwiek zarejestrowaną

Jaka jest najniższa temperatura kiedykolwiek zarejestrowana?

W przypadku gazu atomowego najniższa dotąd zgłoszona temperatura równoważna wynosi 9,7 pikokelwina i została osiągnięta na pokładzie chińskiej stacji kosmicznej Tiangong. To 9,7 bilionowej części stopnia powyżej zera absolutnego. Poprzedni rekord wynosił 38 pikokelwinów.

Czym jest kondensat Bosego-Einsteina?

To stan materii powstający wtedy, gdy gaz określonych atomów zostaje schłodzony do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Atomy przechodzą do tego samego stanu kwantowego i zachowują się jak jedna fala, co sprawia, że efekty kwantowe stają się widoczne w skali wystarczająco dużej, by można je było sfotografować.

Dlaczego eksperymenty z zimnymi atomami lepiej działają w kosmosie?

Na Ziemi grawitacja wyciąga atomy ze słabych pułapek i sprawia, że uwolniona chmura opada w ułamku sekundy. Na orbicie atomy unoszą się, dzięki czemu pułapka może być łagodniejsza, co dodatkowo je schładza, a chmurę można obserwować przez kilka sekund.

Czy cokolwiek może osiągnąć zero absolutne?

Nie. Prawa termodynamiki zabraniają osiągnięcia dokładnie zera kelwinów, dlatego eksperymenty mogą jedynie coraz bardziej się do niego zbliżać. Każdy kolejny krok staje się trudniejszy, dlatego zejście z 38 do mniej niż 10 pikokelwinów uznaje się za duży skok.

Laboratorium orbitalne otwarte dla zespołów z zewnątrz

Stanowisko do pracy z zimnymi atomami trafiło na orbitę wraz z modułem Mengtian w 2022 roku, po projekcie, którego pierwsze studia wykonalności rozpoczęły się w 2011 roku, a rekord opublikowano online w Science 5 listopada 2026 roku. Rasel uważa, że kolejnym krokiem będą interferometry na orbicie, które przez kilka sekund utrzymają atomy w koherentnie rozdzielonym stanie. Lyu Congmin, główny projektant systemu zastosowań kosmicznych chińskiego załogowego programu kosmicznego, powiedział, że stanowisko jest otwarte dla naukowców z całego świata, którzy chcą prowadzić na nim własne eksperymenty.

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

Tagi: fizyka, fizyka kwantowa, Chińska Akademia Nauk, kondensat Bosego-Einsteina, Mengtian, Tiangong