気温は相対的なものである傾向があります。 しかし科学者は、絶対温度と呼ばれるものの極限を探っています。 上限の絶対温度は、物理法則が溶けてなくなるような理論上の炉です。 その一方で、絶対零度という、どこまでも冷たい温度は、ほとんど科学者の手の届くところにある。

それを理解するためには、まず物理学101が必要です。 物質を構成する原子は常に動いています。 温度はその原子の運動エネルギー、すなわち運動のエネルギーを測定します。 原子が速く動けば動くほど、温度は高くなります。 しかし、絶対零度というのは、ほぼ完全な静止状態なのです。

私たちの知る限り、宇宙でも実験室でも、絶対零度に達したものはありません。 宇宙空間でさえ、背景温度は2.7ケルビンです。 しかし、現在では正確な数字があります:-459.67華氏、または-273.15摂氏で、どちらも0ケルビンに等しいのです。

物質によって冷たさはさまざまで、理論的には絶対零度に到達することはないとされています。 しかし、新しいツールや技術を駆使して、科学者たちはそのどん底にますます近づいているのです。

(Credit: Alison Mackey/Discover)

(Credit: Fouad A. Saad/)

Why It Matters.の項参照。 超流体とその他の物質的利益

  • Bose-Einstein Condensate (BEC)です。 1995年、コロラド大学ボールダー校の物理学者が、絶対零度のわずかな範囲にしか存在しない第5の物質状態であるBECを観測しました。 この状態では、個々の原子の重なりが大きくなり、量子力学的に1つの状態になり、全体として1つの物質として振る舞う。 BECの発見により、物理学者が量子的な振る舞いを探ることができる新しい科学分野が開かれた。

  • 量子コンピューティング。 量子コンピュータは、通常のコンピュータが使用するビット(1や0)に頼るのではなく、量子ビットを使って計算を行います。 理論的には、この機械は現在のコンピュータよりもはるかに速く問題を解決することができます。 しかし、量子コンピュータを動かすには、原子や分子を絶対零度より100分の数度高い温度まで冷却しなければならない。この領域では、熱によって生じる電気ノイズによって量子の特徴が失われることはない。

  • 物質的な奇妙さ。 ヘリウムが冷えると、奇妙になります。狭いチューブの中を摩擦なしに滑ったり、長時間電流を維持したり、容器の側面を上下に流したりすることができるのです。 科学者たちは、ヘリウムやBECのような超低温の気体を超流体と呼んでいる。 近年、科学者たちは、超流体が中性子星に存在する可能性を示唆している。中性子星は超新星の残骸で、ブラックホールを形成するほどの質量はないが、小さく高密度である。 また、超流動は、自分自身の中を流れるという奇妙な性質を持つ超固体(スーパーソリッド)の発見にもつながっている。 これらの物質によって、科学者は自然界の基本的な謎を探ることができる。

宇宙で最も寒い場所

月の裏側や冥王星の陰のクレーターは気温が急落していますが、ブーメラン星雲に比べれば快適な場所に見えます。

月の裏側や冥王星の影のあるクレーターでは気温が急降下しますが、ブーメラン星雲に比べれば、そのあたりは穏やかなようです。 約5000光年の距離にあるこの星系は、絶対零度からわずか1ケルビンしかない。 (Credit: R. Sahai and J. Trauger (JPL), NASA/ESA)

How to get there: Let Lasers Be Your Guide

絶対零度に近づくために、科学者は気体の原子を冷却するために、真空とレーザーを使って精巧な実験を行ってきました。 真空は、通常起こるような液体や固体に凝縮させることなく気体を冷やすことができますが、その原子はまだ動いています。 そこでレーザーの出番となるわけです。

原子を冷却するために、一連のレーザーを交差させてその運動量を遅くする。 (Credit: Laboratoire Kastler Brossel)

原子がレーザーから光の粒子、すなわち光子を吸収すると、別の光子を放出する。 物理学者がレーザーを適切に調整すると、ある方向に進む原子が1つの光子を吸収し、別の方向へ、より高いエネルギーで、別の光子を放出するようになります。 すると、原子は一個一個の光子を受け取りながら速度を落としていく。 複数のレーザーを原子に照射することで、原子の運動量をあらゆる方向から減少させることができる。 この技術は、1970年代に初めて使用され、レーザー冷却と呼ばれています。

(Credit: Alison Mackey/Discover)

しかし、さらに低くする方法があるのです。 蒸発冷却と呼ばれる技術は、気体の最も高いエネルギーの原子を吸い上げるもので、スープが蒸気として熱を放出して冷却するようなものです。 レーザーと蒸発冷却を新しい方法で組み合わせることで、科学者たちは気体を0ケルビンの50兆分の1まで冷やすことに成功しました。

科学者たちは、超低温の原子を研究するために、このような精巧なレーザー装置を採用しています。 極寒の物質が、量子的な挙動についての洞察を与えてくれます。 (Credit: Laboratoire Kastler Brossel)

Race to the Bottom

1926: 化学者が断熱消磁と呼ばれる、磁場を用いて物質を1ケルビン以下に冷却する方法を初めて説明する。 1933年には、この方法を用いて塩を0.25ケルビンまで冷却した。 これは低い値ですが、レーザー冷却ができるほどではありません。

1978: 10年後、物理学者がレーザー冷却で4300万分の1ケルビンを達成した。

1997: 3人の物理学者がレーザー冷却の発明でノーベル賞を共同受賞。

2015: スタンフォード大学の研究者が、太陽電池に使われる柔らかい金属であるルビジウムでできた気体を絶対零度より50兆分の1度まで冷却し、新記録を樹立。

2017: コロラド州ボルダーの国立標準技術研究所の物理学者は、アルミニウムの膜を、理論が予測した材料に可能な温度よりも低い0.00036ケルビンまで冷やしました。 この実験は、1つの物体が同時に2つの場所に共存するような、量子効果を見る方法を示唆している。

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