|
Dæmoner, entropi og søgen efter absolut nul Et tankeeksperiment fra det 19. århundrede er blevet til en virkelig
teknik til at nå ultralave temperaturer, bane vej til nye videnskabelige
opdagelser såvel som til nyttige anvendelser Mark G. Raizen*
Fronterne for fangst
og afkøling
Kort sagt
Imens Du
læser disse ord, suser luftens molekyler omkring dig med 3.200 kilometer i
timen, hurtigere end en geværkugle undervejs, og bombarderer dig fra alle
sider. Samtidigt tumler, vibrerer eller kolliderer de atomer og molekyler,
der udgør din krop, med hinanden. Intet i naturen er nogensinde fuldstændigt
stille og jo hurtigere tingene bevæger sig jo mere energi bærer de; den
samlede energi af atomer og molekyler er det vi kalder, og mærker som, varme. Selv om
total ro, svarende til temperaturen absolut nul, er fysisk umuligt, har
forskerne kantet sig nærmere og nærmere til den endelige grænse. I så
ekstreme riger begynder skøre kvantevirkninger at vise sig og producere ny og
usædvanlige stoftilstande. Især har afkøling af gasformige skyer af atomer -
i modsætning til stof i den flydende eller faste form - til en lille brøkdel af en grad over
absolut nul sat forskerne i stand til at observere stofpartikler, der opfører
sig som bølger, til at skabe de mest præcise måleinstrumenter i historien og
at bygge de mest nøjagtige atomure. Ulempen
ved disse atom-kølingsteknikker er, at de kun kan anvendes på nogle få af
grundstofferne i den periodiske tabel, hvilket begrænser nytten. For eksempel
var brint, det simpleste af alle atomer, i lang tid ekstremt udfordrene at
afkøle. Nu har min forskergruppe imidlertid demonstreret en ny kølemetode,
der virker på de fleste grundstoffer og ligeså på mange typer molekyler. Min
inspiration: James Clerk Maxwells tankeeksperiment fra Victoriatiden. Den
store skotske fysikers teori om muligheden af en "dæmon," der
syntes i stand til at overtræde termodynamikkens regler. Den
nyligt fundne evne vil åbne retninger i grundlæggende forskning og føre til
et bredt område af praktiske anvendelser. For eksempel kan varianter af
teknikken måske føre til processer til at rense sjældne isotoper, der har
vigtige anvendelser i medicin og i grundlæggende forskning. Et andet spin-off
kunne være en øgning af præcisionen af nanoskala fremstillingsmetoder, der
bruges til at lave computer chips. På den videnskabelige side kan afkøling af
atomer og molekyler måske gøre det muligt for forskere at udforske
ingenmandsland mellem kvantefysik og almindelig kemi eller til at afdække
mulige forskelle i adfærd mellem stof og antistof. Og superkøling af brint og
dens isotoper kunne hjælpe små laboratorier med at besvare spørgsmål i
fundamental fysik af den type, der traditionelt har krævet enorme
eksperimenter som dem på partikelacceleratorer. At stoppe
og manipulere atomer og molekyler er ingen nem bedrift. I et typisk
eksperiment begynder forskerne med at producere en fortyndet gas af et
bestemt kemisk grundstof ved at opvarme et fast stof eller fordampe et med en
laser. Gassen skal så bremses, indesluttet i et vakuum kammer og holdt borte
fra kammerets vægge. Jeg
begyndte med et hævdvundet trick. For mere end 40 år siden fandt kemikere ud
af, at ved et tryk på flere atmosfærer gennemgår en gas, der slipper ud gennem
et lille hul til et vakuum, betydelig afkøling, når den udvider sig. Det er
bemærkelsesværdigt, at disse "supersoniske stråler" er næsten
monoenergiske, hvilket betyder, at molekylernes hastighed vil være meget tæt
på middel: hvis en stråle, for eksempel, kommer ud med 3.200 km/t vil
molekylerne i den kun afvige fra den hastighed med højst 32 km/t. Til
sammenligning kan luftmolekyler ved rumtemperatur med en middelhastighed på
3.200 km/t have hastigheder overalt mellem 0 og 6.400 km/t. Hvad det betyder
ud fra et termodynamisk synspunkt er, at strålen, til trods for at den har en
væsentlig mængde energi, er ekstremt kold. Tænk på det på denne måde: en
observatør, der rejser med strålen med 3.200 km/t ville se molekyler bevæge
sig så langsomt at strålens temperatur kun ville være en 100del af en grad
over absolut nul. Jeg
erkendte, at hvis mine medarbejdere og jeg kunne bremse og stoppe en sådan
stråle og samtidig bevare den lille spredning i hastighed, så kunne vi ende
med et temmelig koldt bundt atomer, som vi så kunne fange og nedkøle
yderligere. For at
opnå det mål begyndte min gruppe at arbejde med overlydsstråler i 2004 sammen
med Uzi Even, kemiker på Tel Aviv University. Vort første forsøg var at bygge
en rotor med blade, der ved kanterne bevægede sig med halvdelen af den
supersoniske gasstråles hastighed. Vi rettede pulser fra strålen på rotorens
vigende blade på en sådan måde, at strålens hastighed præcist ville udligne
bladenes. Når gasatomerne kastedes bort fra rotoren tog rotoren al den kinetiske
energi ud af dem, ligesom en tennisketcher kan bringe en bold til hvile. Den
opstilling var imidlertid vanskelig at arbejde med, fordi den krævede ekstrem
finjustering. Robert Hebner, direktør for Center for Electromechanics på
University of Texas at Austin, foreslog en anden konstruktion: kast gassen af
bagenden af et projektil mens projektilet raser ned af en spolekanon. En
spolekanon er et eksperimentelt våben, der skubber magnetiserede projektiler
ud af løbet på en kanon med magnetiske felter i stedet for krudt. Den virker
ved at accelerere kuglen gennem en serie trådspoler der løber elektrisk strøm
gennem, hvilket skaber magnetiske felter. Kuglen, som i det væsentlige er en
stangmagnet, tiltrækkes spolens centrum. En kugle, der nærmer sig, accelereres
således af tiltrækkende kræfter. Når kuglen, på den anden side, passerer
centrum, vil kræfterne begynde at trække den tilbage og på den måde bremse
den til dens oprindelige hastighed. Men strømmen i hver spole slås fra
præcist i det øjeblik projektilet krydser centrum, så de magnetiske kræfter
altid skubber projektilet i den rette retning - ned gennem løbet. Jeg
erkendte hurtigt, at vi kunne anvende Hebners ide men blive helt fri for
kuglen. I stedet ville vi bruge det samme princip på selve strålen, men
omvendt: snarere end at accelerere en kugle ville kanonens spoler i dette
tilfælde virke direkte på gasmolekylerne og bringe dem til hvile. Tricket er
muligt, fordi de fleste atomer har i det mindste en lille mængde magnetisme
og alle gør når deres elektroner sættes i en exciteret tilstand. Mange typer
molekyler er også magnetiske. Magnetiske bremser
Vi
byggede det nye apparat og afprøvede det først på exciterede neon atomer og
så på iltmolekyler. Det lykkedes at stoppe begge arter. Uden vor viden
udviklede en gruppe, der arbejdede i Zurich, ledet af Frederic Merkt, den
samme ide og lykkedes med at stoppe atomar brint på omtrent samme tidspunkt,
hvor vi udførte vore eksperimenter. Adskillige grupper rundt omkring i verden
har nu bygget deres egne atomare spolekanoner, som i sidste ende er meget
enkle og robuste apparater, baseret på almindelig kobbertråd og almindelige
kondensatorer og transistorer. Da vi
først lykkedes med at stoppe atomer på denne måde, var det relativt ligefremt
at fange dem i statiske magnetiske felter. Det mere vanskelige problem var at
finde en måde at afkøle dem yderligere på. Skønt 0,01 kelvin (en 100del af en
grad over absolut nul) lyder køligt, er det stadig meget langt fra de grænser
man når med andre teknikker. Vi behøvede at finde en måde at gå lavere på. Jeg
tænkte over generelle kølemetoder et godt stykke tid før nogen tænkte på
atomare spolekanoner, men i lang tid så jeg ingen løsning. Teknikken med
laserkøling, som blev opfundet i 1980'erne, har været yderst succesfuld og
har resulteret i skabelsen af en stoftilstand kaldet Bose-Einstein kondensat
og i belønningen med to Nobelpriser i fysik i 1997 og 2001. Men området for
anvendelighed af laserkøling er mest begrænset til atomerne i den første
søjle af den periodiske tabel, som natrium og kalium, fordi de er lette at
skifte mellem en grundtilstand og en enkelt exciteret tilstand. som krævet af
teknikken. En anden metode, som jeg overvejede, var afkøling gennem
fordampning, der hviler på at skumme de varme atomer og efterlade de
kølingere tilbage (det samme princip som når sved afkøler os, ved at fordampe
fra vor hud). Men uden hjælp fra laserkøling er det meget vanskeligt at få
tæthed høj nok til at starte fordampningen til at begynde med. I februar
2004 besøgte jeg Princeton University og talte med Nathaniel J. Fisch,
plasmafysiker. Han fortalte mig om en ide, som han lige havde udviklet:
hvordan man driver en elektrisk strøm af elektroner i et plasma - en gas af
elektroner og positive ioner - med en plan der forårsager, at elektronerne
går i en retning og ikke den anden. Jeg spekulerede på om vi kunne opnå noget
lignende med atomer eller molekyler: bygge en "låge" der slipper
atomer igennem i en retning men ikke den anden. Jeg
lægger det tekniske emne, hvordan man bygger en envejslåge, til side et
øjeblik for at forklare, hvorfor et sådant apparat kan hjælpe med at nedkøle
en gas. Det første trin ville være at reducere gassens rumfang uden at hæve
dens temperatur. Antag, at en låge adskiller en beholder i to rumfang.
Gasatomer kastes omkring i beholderen tilfældigt og før eller siden flyver de
mod lågen. Hvis lågen slipper dem igennem i kun en retning, f.eks., fra
venstre til højre vil alle atomer med tiden koncentreres på højre side af
beholderen. Det er afgørende at atomernes hastigheder ikke ændrer sig i
processen, så gassen vil være ved samme temperatur som den startede med.
(Termodynamisk er denne proces fuldstændig anderledes end at komprimere
gassen ind i det højre rumfang, hvilket ville accelerere atomerne og således
hæve temperaturen.) Det andet
trin ville være at lade gassen udvide sig tilbage til dens oprindelige
rumfang. Når en gas udvider sig, daler dens temperatur, hvilket er grunden
til at spraydåser bliver kolde under brug. Så slutresultatet ville være en
gas med det oprindelige rumfang men lavere temperatur. Det problem,
der længe gjorde fysikerne omtågede, er, at sådanne atom-sorterende låger
ville synes at overtræde fysikkens love. I sin komprimerede tilstand har
gassen lavere entropi, hvilket er et mål for mængden af uorden i et system.
Men ifølge termodynamikkens anden lov er det umuligt at sænke et systems
entropi uden at forbruge energi og producere mere entropi andetsteds. Dette
paradoks har været genstand for kontroverser lige siden James Clerk Maxwells
tankeeksperiment i 1871, i hvilket et "intelligent væsen med behændige
hænder" kunne se partikler komme og gå og åbne eller lukke en passende
låge. Dette hypotetiske væsen blev kendt som Maxwells dæmon og syntes at
overtræde termodynamikkens anden lov, fordi det kunne sænke gassens entropi,
mens det forbrugte en ubetydelig mængde energi. Efter mange år, i 1929, løste
Leo Szilard paradokset. Han foreslog, at dæmonen indsamler information hver
gang fældens dør åbnes. Denne information, hævdede han, bærer entropi, som
nøjagtigt afbalancerer gassens sænkede entropi og derved "redder"
den anden lov. (Szilard var forud for sin tid: i senere årtier har ideen, at
information har virkelig fysisk mening, kickstartet moderne
informationsvidenskab.) Al
tænkning vedrørende Maxwells dilemma, inkluderende Szilards løsning, var rent
spekulativ og i mange årtier syntes den bestemt til at forblive sådan. Mine
kolleger og jeg skabte imidlertid den første fysiske virkeliggørelse af
Maxwells tankeeksperiment på den måde Maxwell udtænkte det. (Andre nylige
eksperimenter har gjort noget begrebsmæssigt lignende men med nanomaskiner i
stedet for låger til en gas.) Og vi brugte den til at nedkøle atomer til
temperaturer så lave som 15 milliontedele af en kelvin. Som vi
vil se opklarer apparatet, vi byggede, hvordan Maxwells dæmon kan eksistere i
praksis såvel som hvorfor Szilards indsigt - at information spiller en
afgørende rolle - var korrekt. Djævelsk kold
For at
den ensrettede låge skal virke, ræsonnerede jeg, skal atomerne i gassen have
to forskellige tilstande (mulige konfigurationer af kredsende elektroner),
der begge er af lav energi og således stabile. Lad os kalde de to tilstande
blå og rød. Atomerne befinder sig i en beholder, der skæres i midten af en
laserstråle. Strålen er justeret til en bølgelængde, der får røde atomer til
at springe tilbage, når de nærmer sig den, så den i det væsentlige virker som
en lukket låge. Til at begynde med er alle atomerne blå og kan således flyve
uhindret gennem laserbarrieren. Men lige til højre for barrierestrålen rammes
atomerne af en anden laser, der er tunet så så atomerne går fra blå til rød
ved at sprede en enkelt foton. Da atomerne nu er røde frastødes de af
barrierestrålen og kan således ikke gå gennem lågen og tilbage til venstre
side. Med tiden samler alle atomerne sig på højre side og den venstre side
forbliver tom. Vi
demonstrerede først vor låge med atomart rubidium i begyndelsen af 2008. Vi
kaldte vor metode enkelt-foton køling for at skelne den fra den tidligere
laserkøling, som krævede mange fotoner til at nedkøle hvert atom. I
mellemtiden udviklede Gonzalo Muga fra University of Bilbao i Spanien sammen
med sin medarbejder Andreas Ruschhaupt (nu på Leibnitz University i Hannover,
Tyskland) uden mit vidende uafhængigt en lignende ide. Siden da har Muga,
Ruschhaupt og jeg udarbejdet nogle af lågens teoretiske sider. I et fælles
papir, som udkom i 2006, pegede vi på, at når et atom spreder en foton, bærer
fotonen information om det atom - og
således et lillebitte kvantum entropi. med sig bort. Desuden gælder det, at
hvor den originale foton var del af en ordnet rækkefølge af fotoner
(laserstrålen), så går de spredte fotoner afsted i tilfældige retninger. På
den måde bliver fotonerne mere uordnede og vi viste, at den tilsvarende vækst
i lysets entropi nøjagtigt udbalancerede atomernes reduktion i entropi, fordi
de bliver begrænsede af den ensrettede låge. Derfor virker enkeltfoton køling
som en Maxwells dæmon i selve den forstand, som Leo Szilard forestillede sig
i 1929. I dette tilfælde er dæmonen særlig enkel og effektiv: en laserstråle,
der forårsager en uomvendelig proces ved at sprede en enkelt foton. En sådan
dæmon er bestemt hverken et intelligent væsen eller en computer og behøver
ikke tage beslutninger baseret på informationen, der kommer fra atomerne. Den
kendsgerning, at informationen er til rådighed og i princippet kan indsamles,
er nok. Fronterne for fangst
og afkøling Kontrollen
over atomar og molekylær bevægelse åbner nye retninger i videnskab. Kemikere har
længe drømt om indfangning og nedkøling af molekyler for at studere kemiske
reaktioner i kvanteområdet. Spolekanonen virker på ethvert magnetisk molekyle
og supplerer en metode, der bruger elektriske snarere end magnetiske kræfter
til at bremse ethvert molekyle, som er elektrisk polariseret. Hvis
molekylerne er små nok burde enkelt-foton køling være i stand til at bringe
temperaturen ned langt nok til at kvantefænomener begynder at dominere. For
eksempel bliver molekyler til udstrakte bølger, der kan reagere kemisk over
meget større afstande end sædvanligt og uden behov for den kinetiske energi,
der driver almindelige reaktioner. En anden
vigtig fordel ved enkelt-foton køling er, at den virker på brint - og på dens
isotoper deuterium (med en neutron foruden den enkelte proton i kernen) og
tritium (med to neutroner). Sidst i 1990'erne var Dan Kleppner og Thomas J.
Greytak fra Massachusetts Institute of Technology gennem heroisk indsats i
stand til at fange og køle brint ved brug af kryogene metoder og fordampnings
køling, men de gjorde aldrig det samme med andre isotoper. Yderligere
fremskridt afhang af nye metoder til at fange og køle brintisotoper i et
relativt enkelt apparatur. Enkelt-foton køling er perfekt tilpasset til
indfangning og køling af alle tre isotoper af brint. Et mål vil være at
skubbe de nuværende grænser for ultrahøj præcision spektroskopi, en anden
vigtig anvendelse af kølige atomer. Indfangning
og køling af tritium gør det måske muligt at måle neutrinoers masse;
neutrinoer er den mest udbredte af de kendte elementarpartikler i universet
og de er vigtige for bedre at forstå partiklens gravitationelle virkninger på
kosmos' udvikling. Tritium er radioaktivt og det omdannes til helium 3, når
en af dets neutroner henfalder til en proton, en elektron og en antineutrino,
antistof modparten af en neutrino. Ved at måle energien af elektronen, der
skyder ud som beta stråling, kunne fysikerne bestemme energien der manglede
med antineutrinoen - som ville flyve gennem apparaturet udetekteret - og således
antineutrinoens masse; fysikere forventer at neutrinoers masse er den samme
som antineutrinoers. De samme
metoder vil også virke til indfangning og afkøling af antibrint, antistof
ækvivalensen af brint. Antibrint er først for nylig blevet skabt på CERN,
partikelfysik laboratoriet nær Geneve og den er yderst følsom at behandle,
fordi antistof forsvinder i et glimt af energi, så snart det kommer i kontakt
med stof. I dette tilfælde kan metoden med den supersoniske stråle ikke
bruges som udgangspunkt. I stedet kunne en stråle af antibrint dannes ved at
sende antiprotoner gennem en positronsky og så stoppet og kølet med vor
Maxwells dæmon. Eksperimenter med antibrint vil kunne besvare det enkle
spørgsmål: Falder antistof på samme måde som stof? Med andre ord, virker
gravitation på den samme måde på alle objekter med den samme masse? De nye
teknikker, atomar spolekanon og enkelt-foton køling, kunne også have vigtige
praktiske anvendelser. Isotoper fra det meste af grundstoffernes periodiske
tabel separeres stadig ved brug af et apparat kaldet calutron, opfundet af
Ernest Lawrence under Manhattan Projektet. Calutroner separerer isotoperne,
som har lidt forskellige masser, med et elektrisk felt essentielt som et
stort massespektrometer. Det eneste aktive calutron program lige nu er i
Rusland og er temmelig ineffektivt. En Maxwells dæmon ide lig med den, der
virker ved køling kunne bruges til at separere isotoper i en stråle og ville
være mere effektiv end calutroner. Denne metode kan producere små mængder isotoper,
som kalcium 48 eller ytterbium 168, der er relevante til medicin og
grundforskning men ikke udgør nogen risiko for udbredelse, fordi den kun er
praktisk til at isolere meget små mængder af en isotop. Endnu et
biprodukt, vi forfølger, er at bygge strukturer på nanometer skalaen. I
stedet for at bruge magnetfelter til at bremse atomer kunne man lade felterne
fokusere atomstråler som en linse fokuserer lys, men med en opløsning på kun
en nanometer eller bedre. Sådanne stråler kunne så deponere atomer for at
skabe mindre detaljer end det er muligt nu med optisk lithografi, den gyldne
standard af computer-chip fabrikation. Evnen til at skabe strukturer af
nanoskala på denne fra-bunden-op måde, snarere end ved de top-ned
indfaldsvinkler der er mere almindelige i nanovidenskab, vil starte et nyt
felt, som jeg kalder atomoscience. Absolut
nul er så uopnåeligt som nogensinde, men der er stadig meget at opdage - og
at blive vundet - på den sti, der fører derhen. The Spectroscopy of Supercooled
gases. Donald H. Levy i Scientific American, Vol. 250, No. 2,
side 66-77; Februar 1984. Demons, Engines and the Second Law. Charles H. Bennett i Scientific American, Vol. 257, No. 5,
side 88-96; November 1987. Laser Trapping of Neutral
Partikles. Steven
Chu i Scientific American, Vol.
266, No. 2, side 48-54; Februar 1992.
* Mark G. Raizen indtager Sid W. Richardson
Chair in Physics på University of Texas at Austin, hvor han også tog sin
Ph.D. Hans interesser inkluderer optisk indfangning og kvanteentanglement.
Som barn mødte Raizen fysikeren Leo Szilard, som var patient hos hans far,
kardiolog, og som forklarede, hvorfor Maxwels dæmoner ikke overtræder
termodynamikkens love. Fra Demons, Entropy and the Quest for
Absolute Zero, Scientific
American, Marts 2011, side 46-51.
|
