宇宙ステーションで原子を「記録的な低温」まで冷やすことに成功

14 時間前 3

宇宙船「神舟14号」の飛行中に、天宮の実験モジュール「問天」のエアロックに入る陳冬飛行士です。天宮は、地球のまわりを回る中国の宇宙ステーションです。

原子の「温度」は動きの遅さで決まる

金属のルビジウムです。天宮で冷やされたのは、この金属の原子です。

原子にとっての「温度」とは何なのかを、まず見ておきましょう。

原子や分子の世界では、温度は動きと強く結びついています。

身の回りの空気の分子も、寒いときほどゆっくり動いています。

つまり、原子を冷やすとは、原子の動きを遅くすることなのです。

では、止まりかけた原子の温度は、どうやって決めるのでしょうか？

研究者は、閉じ込めていた原子の群れを放し、自由に広がらせます。

そして、群れの広がり方が遅いほど、原子は冷たいと考えます。

こうして広がり方から決めた温度は「等価温度」と呼ばれます。

原子をとても低い温度まで冷やすと、ばらばらだった原子が全員そろって同じ量子の状態になります。

まるで1つのかたまりのようにふるまう、この特別な状態を「ボース・アインシュタイン凝縮」と呼びます。

ルビジウム原子の気体から、ボース・アインシュタイン凝縮ができたことを示す、原子の速さの分布の図です。白と水色の部分に、いちばん遅い原子が集まっています。1995年に、JILAの研究者が報告しました。

ところが地上では、ここで重力がじゃまをします。

重力に引っぱられて原子の雲がたるみ、冷やす効き目が落ちてしまうのです。

そこで、重さを感じない状態で実験する工夫が重ねられてきました。

地上では、原子を塔の中で落とし、落ちている間に無重力に近い状態をつくる実験があります。

この落下塔の実験で出た38ピコケルビンが、これまでの最低記録でした。

ブレーメン大学の落下塔です。このような塔の中で原子を落とすと、落ちている間は無重力に近い状態になります。

ピコケルビンは、絶対零度を0とする温度の目盛り（ケルビン）の、1兆分の1です。

ただし落下塔では、実験できるのは原子が落ちている間だけです。

この記録で、原子の雲を自由に広げられた時間は2秒でした。

国際宇宙ステーションでも同じ状態の原子がつくられ、52ピコケルビンまで下がっていました。

宇宙ステーションの中は落ち続けているのと同じで、物は重さをほとんど感じません（微小重力）。

しかも地球を回り続けるので、落下塔のように落ちる時間が尽きる心配がないのです。

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