Çin’in Uzay İstasyonunda Atomlar 9,7 Pikokelvine Kadar Soğutuldu ve Sıcaklık Rekoru Kırıldı

Mutlak sıfırın hemen üstündeki sıcaklıklara inmek, laboratuvar fiziğinin en eski yarışlarından biri. Bu yarışta yeni bir rekor, Dünya’nın yörüngesinden geldi: Çinli araştırmacılar, Tiangong uzay istasyonundaki bir deney düzeneğinde rubidyum atomlarını yaklaşık \(9{,}7\) pikokelvin (pK) eşdeğer sıcaklığa kadar soğuttu. Sonuçlar bu hafta Science dergisinde “Quantum gases below 10 picokelvin in space” başlığıyla yayımlandı.

Bir pikokelvin, kelvinin trilyonda biridir. Yani 9,7 pK, mutlak sıfırın (−273,15 °C) yalnızca 0,0000000000097 derece üstü demek. Üstelik ekip bu soğuk atom bulutunu yedi saniye boyunca gözlemleyebildi.

“Sıcaklık” burada ne anlama geliyor?

Başlıktaki rakamı doğru okumak için küçük bir uyarı gerekiyor. Haberlerde de vurgulandığı gibi 9,7 pK, cihazın ya da çevresinin sıcaklığı değil. Soğuk atom fizikçileri, serbest bırakılan bir bulutun ne kadar yavaş genişlediğine bakarak ona “eşdeğer bir sıcaklık” atar. Atomlar ne kadar az hareketliyse bulut o kadar yavaş yayılır ve eşdeğer sıcaklık o kadar düşük çıkar. Rekor, bu yayılma hızından türetilen bir değer.

Deneyde kullanılan madde, Bose-Einstein yoğuşuğu (Bose-Einstein condensate) adı verilen kuantum hâli. Atomlar yeterince soğuyup yoğunlaştığında tek tek ayrı parçacıklar gibi değil, hepsi aynı kuantum durumunu paylaşan tek bir dalga gibi davranmaya başlar. Böylece kuantum etkilerini mikroskobik ölçekten çok daha büyük bir ölçekte, doğrudan gözlemlemek mümkün olur.

Neden uzaya gitmek gerekti?

Yerde atomları soğutmanın önündeki en büyük engel yerçekimi. Atomlar ışık ya da manyetik alanla oluşturulmuş bir “tuzakta” tutuluyor. Soğutma sırasında bu tuzağın giderek gevşetilmesi gerekiyor, çünkü gevşek tuzak, atomların enerjisini daha da düşürmeye izin veriyor. Ancak tuzak belli bir noktadan sonra gevşetildiğinde yerçekimi atomları aşağı çekip tuzaktan düşürüyor. Pekin Üniversitesi’nden, çalışmanın sorumlu yazarlarından Chen Xuzong’a göre Dünya’da bu sürecin ne kadar ileri götürülebileceğini yerçekimi sınırlıyor.

Serbest düşüş hâlindeki bir istasyonda ise ağırlıksızlık sayesinde tuzak çok daha fazla gevşetilebiliyor. Gözlem süresi de uzuyor. Yedi saniyelik serbest genişleme, serbest düşme formülüyle \(h = \tfrac{1}{2} g t^2\) hesaplandığında yaklaşık 240 metreye karşılık geliyor. Yerde bu kadar uzun süre izlemek için 250 metre yüksekliğinde bir vakum tüpü gerekirdi; Nobel ödüllü fizikçi Wolfgang Ketterle de bu karşılaştırmayı yapan isimlerden biri.

Deney nasıl yapıldı?

Deney, 2022’de istasyona eklenen Mengtian laboratuvar modülündeki ultra soğuk atom fiziği düzeneğinde yürütüldü. Çalışmada Pekin Üniversitesi, Şanghay Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü ile Çin Bilimler Akademisi’ne bağlı Uzay Kullanımı Teknoloji ve Mühendislik Merkezi (CSU) birlikte yer aldı. Haberlere göre bu tesisin geliştirilmesi 2011’deki ilk değerlendirmeyle başlamıştı.

Yaklaşık 20 bin rubidyum atomu lazer ışığından oluşan tuzaklarda tutuldu. Ekip tamamen optik bir tuzak kullandı ve soğutmayı iki aşamada yaptı. İlk aşamada buharlaştırmalı soğutma (evaporative cooling) uygulandı: en enerjik atomların tuzaktan kaçmasına izin verilirse geride kalanların ortalama enerjisi düşer, tıpkı sıcak bir çayın en hızlı buhar moleküllerini kaybederek serinlemesi gibi. İkinci aşamada ise adyabatik olmayan genişleme (non-adiabatic expansion) denen bir yöntemle bulut daha da soğutuldu.

Araştırmacılar, mikro yerçekiminde optik tuzaktaki buharlaştırmalı soğutmanın verimsizleştiğini, bunu aşmak için ek bir manyetik gradyan kullanarak yoğuşuğu elde ettiklerini bildirdi. Ayrıca bulutu bozabilecek her türlü gürültüyü azaltan çok hassas optik ve elektronik kontrol gerekti.

Önceki rekorlar

Bremen Üniversitesi araştırmacıları 2021’de, bir düşme kulesinde (drop tower) kısa süreli ağırlıksızlıkla 38 pK’ye inmişti. Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki NASA Cold Atom Lab ise 2022’de 52 pK’lik bir eşdeğer sıcaklık bildirmişti. Düşme kulesi deneyleri serbest düşmenin birkaç saniyelik süresiyle sınırlı; yörüngedeki bir laboratuvarda ise bu sınır yok. Yeni sonuç, Çin ekibinin bildirdiği değerle bu iki rekordan da daha düşük.

Neden önemli?

Daha düşük sıcaklık ve daha uzun gözlem süresi, çok zayıf etkilerin ölçülebilmesi anlamına geliyor. Çalışmanın ilk yazarları Pekin Üniversitesi’nden Xiong Wei ve Jin Shengjie, uzun gözlem sürelerinin yeni ve zayıf fiziksel olayları yakalama şansını artırdığını söylüyor. Soğuk atomlar; hassas ölçümler, kuantum maddenin egzotik hâlleri ve eşdeğerlik ilkesi (equivalence principle) gibi temel kavramların sınanması için kullanılıyor. Eşdeğerlik ilkesi, farklı kütleli cisimlerin boşlukta aynı ivmeyle düştüğünü söyleyen, genel görelilik kuramının temel taşlarından biri.

Henüz bilinmeyenler

Rekorun hangi ölçüm yöntemiyle, hangi belirsizlikle verildiği makalenin kendisinde ayrıntılı; burada yalnızca haberlerde yer alan özet değerleri aktarabiliyoruz. Ayrıca bu sıcaklığın yeni bir fizik ortaya çıkaracağı garanti değil. Rekorun asıl değeri, bu koşulların artık yörüngede kararlı biçimde üretilebildiğini göstermesi. Bundan sonraki adım, bu yeni olanağı hassas ölçümler ve temel fizik testleri için gerçekten kullanmak olacak.

Kaynak: W. Xiong ve ark., “Quantum gases below 10 picokelvin in space”, Science (2026), doi:10.1126/science.aea5324. Haberler: Science News, CGTN, Global Times.