เราสร้างอุณหภูมิเย็นจัดเช่นนั้นได้อย่างไร โดยสรุปคือ โดยการชะลออนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่ เมื่อเราพูดถึงอุณหภูมิ สิ่งที่เราหมายถึงจริง ๆ ก็คือ การเคลื่อนที่อะตอมที่ประกอบขึ้นเป็นของแข็ง ของเหลว และแก๊สนั้น เคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา เมื่ออะตอมเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว เรารับรู้ได้ว่าสสารนั้นร้อน เมื่อพวกมันเคลื่อนที่ช้าลง เรารับรู้ได้ว่ามันเย็น ในชีวิตประจำวัน เพื่อที่จะทำให้วัตถุร้อนหรือทำให้แก๊สเย็น เราจะนำมันไปไว้ในสภาพแวดล้อมที่เย็นกว่า อย่างเช่นในตู้เย็น บางการเคลื่อนที่ของอะตอมในวัตถุที่ร้อนถูกถ่ายโอนออกไปยังสภาพแวดล้อม และทำให้มันเย็นลง
แต่มันมีข้อจำกัดอยู่ แม้แต่อวกาศก็ยังอุ่นเกินไปต่อการสร้างอุณหภูมิที่เย็นจัด ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงได้หาทาง ในการชะลออะตอมโดยตรงแทนด้วยลำแสงเลเซอร์ภายใต้สภาวะส่วนใหญ่ พลังงานในลำแสงเลเซอร์ทำให้วัตถุร้อนขึ้น แต่ถ้าถูกใช้ในวิธีการที่เฉพาะเจาะจง โมเมนตัมของลำแสงสามารถหยุดการเคลื่อนที่ของอะตอม และทำให้มันเย็นลงได้ นั่นคือสิ่งที่เกิดในอุปกรณ์ที่เรียกว่ากับดักทางทัศนศาสตร์แม่เหล็ก อะตอมถูกฉีดเข้าสู่ช่องห้องสุญญากาศ และสนามแม่จะดึงพวกมันเข้าสู่ศูนย์กลางลำแสงเลเซอร์ที่เล็งไปที่ใจกลางห้องถูกปรับให้มีความถี่ที่เหมาะสม ทำให้อะตอมที่เคลื่อนเข้าหามันดูดกลืนโฟตอนของลำแสงเลเซอร์และเคลื่อนที่ช้าลง
ปรากฏการณ์เคลื่อนที่ช้าลงนี้เกิดจากการถ่ายโอนโมเมนตัมระหว่างอะตอมกับโฟตอน ลำแสงทั้งหมดหกทิศ ที่ถูกจัดเรียงแบบตั้งฉากกัน เพื่อให้อะตอมที่ไม่ว่าจะเคลื่อนที่ในทิศทางใด เคลื่อนที่ตัดผ่านมันที่ศูนย์กลาง บริเวณที่ลำแสงตัดกันนั้น อะตอมเคลื่อนที่อย่างช้าๆ ราวกับว่ามันติดอยู่ในของเหลวข้นเหนียวเป็นปรากฏการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์ผู้คิดค้น อธิบายว่าเป็น "น้ำเชื่อมข้นเชิงแสง" กับดักทางทัศนศาสตร์แม่เหล็กเช่นนี้สามารถทำให้อะตอมเย็นลงได้จนถึงระดับไม่กี่ไมโครเคลวิน ประมาณ -273 องศาเซลเซียส
เทคนิคนี้ถูกพัฒนาขึ้นในราว ๆ ปี ค.ศ. 1980 และนักวิทยาศาสตร์ที่พัฒนามันขึ้นมาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1997 สำหรับการค้นพบนี้ ตั้งแต่นั้น เลเซอร์ที่ทำให้เย็นนี้ ได้รับการพัฒนาเพื่อทำให้เย็นได้มากขึ้นอีก แต่ทำไมเราถึงอยากทำให้อะตอมมันเย็นมากขนาดนั้น
ประการแรก อะตอมที่เย็นสามารถทำเป็นตัวตรวจจับได้ดีด้วยพลังงานที่น้อย พวกมันไวต่อความผันผวนในสภาพแวดล้อมได้อย่างน่าเหลือเชื่อ ดังนั้น มันจึงถูกใช้ในอุปกรณ์สำหรับสำรวจแหล่งน้ำมันหรือแหล่งสะสมแร่ธาตุใต้ดิน พวกมันยังสามารถถูกใช้เป็นนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำสูงได้ด้วย เช่น นาฬิกาอะตอมของดาวเทียมการหาตำแหน่งต่าง ๆ บนโลก
ประการที่สอง อะตอมที่เย็นมีศักยภาพสูงมากในการบุกเบิกความรู้ใหม่ทางฟิสิกส์ ความไวสัมผัสของมันทำให้มันเป็นตัวเลือกที่จะถูกใช้ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในเครื่องตรวจจับบนอวกาศในอนาคต พวกมันมียังประโยชน์ต่อการศึกษาปรากฏการณ์ระดับอะตอมและที่เล็กกว่านั้น ซึ่งต้องการการวัดความผันผวนของพลังงานของอะตอมที่มีค่าน้อยมาก
ทั้งหมดนี้ไม่สามารถกระทำได้ที่อุณหภูมิปกติ เมื่อความเร็วของอะตอมมีค่าประมาณหลายร้อยเมตรต่อวินาที การทำให้เย็นด้วยเลเซอร์สามารถทำให้อะตอมช้าลงเหลือเพียงไม่กี่เซนติเมตรต่อวินาที ซึ่งเพียงพอต่อการสังเกตการเคลื่อนที่ที่เกิดจากปรากฏการณ์ทางควอนตัมระดับอะตอม อะตอมที่เย็นจัดทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาปรากฏการณ์ต่าง ๆ เช่น การควบแน่นแบบโบส-ไอสไตน์ ซึ่งอะตอมถูกทำให้เย็นเกือบถึงศูนย์สัมบูรณ์ และกลายมาเป็นสสารในสถานะใหม่ที่พบได้ยาก ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงทำการค้นหาเพื่อเข้าใจกฏของฟิสิกส์ และเปิดเผยความลึกลับของเอกภพ พวกเขาก็จะได้รับความข่วยเหลือจากอะตอมที่เย็นที่สุดในนั้นด้วย
ที่มา TED-Ed Youtube Channel
