Dov'è il punto più freddo dell'universo? Non sulla luna, dove la temperatura scende a un minimo di 378 Fahrenheit. Nemmeno nello spazio esterno più profondo, che ha una temperatura di fondo stimata di circa meno 455 ° F. Per quanto gli scienziati possono dire, le temperature più basse mai raggiunte sono state recentemente osservate proprio qui sulla terra.
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I minimi da record erano tra le ultime prodezze della fisica ultrafredda, lo studio di laboratorio della materia a temperature così incredibilmente frigide che gli atomi e persino la luce stessa si comportano in modi molto insoliti. La resistenza elettrica in alcuni elementi scompare al di sotto di circa meno 440 ° F, un fenomeno chiamato superconduttività. A temperature ancora più basse, alcuni gas liquefatti diventano "superfluidi" in grado di trasudare attraverso pareti abbastanza solide da contenere qualsiasi altro tipo di liquido; sembrano persino sfidare la gravità mentre si insinuano, sopra e fuori dai loro contenitori.
I fisici riconoscono che non potranno mai raggiungere la temperatura più fredda possibile, conosciuta come zero assoluto e molto tempo fa calcolata per essere meno 459, 67 ° F. Per i fisici, la temperatura è una misura della velocità con cui si muovono gli atomi, un riflesso della loro energia - e lo zero assoluto è il punto in cui non c'è assolutamente energia termica residua da estrarre da una sostanza.
Ma alcuni fisici intendono avvicinarsi il più possibile a quel limite teorico, ed era per avere una visione migliore di quella competizione più rarefatta che ho visitato il laboratorio di Wolfgang Ketterle al Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. Attualmente detiene il record - almeno secondo il Guinness dei primati del 2008 - per la temperatura più bassa: 810 trilioni di gradi F sopra lo zero assoluto. Ketterle e i suoi colleghi hanno realizzato questa impresa nel 2003 mentre lavoravano con una nuvola - circa un millesimo di pollice - di molecole di sodio intrappolate in posizione da magneti.
Chiedo a Ketterle di mostrarmi il punto in cui hanno stabilito il record. Indossiamo occhiali per proteggerci dall'essere accecati dalla luce infrarossa dei raggi laser che vengono utilizzati per rallentare e quindi raffreddare le particelle atomiche in rapido movimento. Attraversiamo la sala dal suo ufficio soleggiato in una stanza buia con un groviglio di fili interconnessi, piccoli specchi, tubi a vuoto, sorgenti laser e apparecchiature informatiche ad alta potenza. "Proprio qui", dice, la sua voce si alza per l'eccitazione mentre indica una scatola nera che ha un tubo avvolto in un foglio di alluminio che vi conduce dentro. "Qui è dove abbiamo raggiunto la temperatura più fredda."
Il successo di Ketterle derivò dalla sua ricerca di una forma completamente nuova di materia chiamata condensato di Bose-Einstein (BEC). I condensati non sono gas, liquidi o solidi standard. Si formano quando una nuvola di atomi - a volte milioni o più - entrano tutti nello stesso stato quantico e si comportano come uno. Albert Einstein e il fisico indiano Satyendra Bose hanno predetto nel 1925 che gli scienziati potrebbero generare tale materia sottoponendo gli atomi a temperature che si avvicinano allo zero assoluto. Settant'anni dopo, Ketterle, che lavorava al MIT, e quasi contemporaneamente, Carl Wieman, che lavorava all'Università del Colorado a Boulder, ed Eric Cornell del National Institute of Standards and Technology di Boulder crearono i primi condensati di Bose-Einstein. I tre hanno subito vinto un premio Nobel. Il team di Ketterle sta usando i BEC per studiare le proprietà di base della materia, come la compressibilità, e comprendere meglio strani fenomeni a bassa temperatura come la superfluidità. Alla fine, Ketterle, come molti fisici, spera di scoprire nuove forme di materia che potrebbero agire come superconduttori a temperatura ambiente, che rivoluzionerebbe il modo in cui gli umani usano l'energia. Per la maggior parte dei vincitori del premio Nobel, l'onore limita una lunga carriera. Ma per Ketterle, che aveva 44 anni quando gli è stato assegnato il suo, la creazione di BEC ha aperto un nuovo campo che lui e i suoi colleghi esploreranno per decenni.
Un altro contendente per il punto più freddo è attraverso Cambridge, nel laboratorio di Lene Vestergaard Hau ad Harvard. Il suo meglio personale è di qualche milionesimo di grado F sopra lo zero assoluto, vicino a quello di Ketterle, che anche lei ha raggiunto durante la creazione di BEC. "Ora facciamo BEC ogni giorno", dice mentre scendiamo una tromba delle scale in un laboratorio pieno di attrezzature. Una piattaforma delle dimensioni di un tavolo da biliardo al centro della stanza sembra un labirinto costruito con minuscoli specchi ovali e raggi laser sottili come una matita. Sfruttando i BEC, Hau e i suoi collaboratori hanno fatto qualcosa che potrebbe sembrare impossibile: hanno rallentato la luce fino a un punto morto virtuale.
La velocità della luce, come tutti abbiamo sentito, è una costante: 186.171 miglia al secondo nel vuoto. Ma è diverso nel mondo reale, al di fuori del vuoto; per esempio, la luce non solo si piega, ma rallenta anche leggermente quando passa attraverso il vetro o l'acqua. Tuttavia, questo non è nulla in confronto a ciò che accade quando Hau illumina un raggio laser in un BEC: è come lanciare una palla da baseball in un cuscino. "Innanzitutto, abbiamo ridotto la velocità a quella di una bicicletta", afferma Hau. "Ora è a gattonare e possiamo davvero fermarlo: mantieni la luce imbottigliata interamente all'interno del BEC, guardala, gioca con essa e poi rilasciala quando siamo pronti."
È in grado di manipolare la luce in questo modo perché la densità e la temperatura del BEC rallentano gli impulsi di luce. (Di recente ha fatto un ulteriore passo avanti negli esperimenti, fermando un impulso in un BEC, convertendolo in energia elettrica, trasferendolo in un altro BEC, quindi rilasciandolo e rimandandolo sulla sua strada.) Hau usa i BEC per scoprire di più sulla natura di luce e come utilizzare la "luce lenta", ovvero la luce intrappolata nei BEC, per migliorare la velocità di elaborazione dei computer e fornire nuovi modi per archiviare le informazioni.
Non tutta la ricerca ultrafredda viene eseguita utilizzando BEC. In Finlandia, ad esempio, il fisico Juha Tuoriniemi manipola magneticamente i nuclei degli atomi di rodio per raggiungere temperature di 180 trilioni di gradi F sopra lo zero assoluto. (Nonostante il record di Guinness, molti esperti attribuiscono a Tuoriniemi il raggiungimento di temperature ancora più basse rispetto a Ketterle, ma ciò dipende dal fatto che si stia misurando un gruppo di atomi, come un BEC, o solo parti di atomi, come i nuclei.)
Potrebbe sembrare che valga la pena provare a raggiungere lo zero assoluto, ma Ketterle afferma di conoscerlo meglio. "Non ci stiamo provando", dice. "Dove siamo è abbastanza freddo per i nostri esperimenti." Semplicemente non vale la pena, per non parlare, secondo la comprensione del calore da parte dei fisici e delle leggi della termodinamica, impossibile. "Succhiare tutta l'energia, fino all'ultimo bit, e raggiungere l'energia zero e lo zero assoluto - ciò richiederebbe l'età dell'universo per raggiungere".
Tom Shachtman è l'autore di Absolute Zero e The Conquest of Cold, la base per un futuro documentario "Nova" di PBS.
