Çin'in uzay istasyonunda atomlar 9,7 pikokelvine kadar soğutuldu

Yeryüzünde bir atom bulutunu serbest bırakıp yedi saniye boyunca izlemeye kalksanız, bulut bu sürede yaklaşık 250 metre düşer. MIT'den Nobel ödüllü fizikçi Wolfgang Ketterle'nin CGTN'e aktarılan sözleriyle: bulut “yere çakılırdı”, tâ ki 250 metre yüksekliğinde bir vakum odanız olmadıkça. Çin'in Tiangong uzay istasyonunda ise düzenek aynı süreyi bir dolabın içinde, yerçekimsiz ortamda geçirdi. Sonuç, 5 Kasım 2026'da Science dergisinde yayımlanan bir rekor: yaklaşık 20 bin rubidyum atomunun oluşturduğu bulut, 9,7 pikokelvinlik bir “eşdeğer sıcaklığa” indi.

Pikokelvin, kelvinin trilyonda biri demek. Yani 9,7 pikokelvin, mutlak sıfırın 0,0000000000097 derece üzeri. Bu rakamın önemi yalnızca küçüklüğünde değil: sıcaklık ne kadar düşerse atomlar o kadar yavaş hareket ediyor ve ölçüm yapmak için o kadar uzun, o kadar sakin bir pencere açılıyor. Aşağıda rakamın neyi ölçtüğünü, neden yörüngede mümkün olduğunu ve hangi sınırlarla birlikte okunması gerektiğini anlatıyorum.

Rekorun künyesi

Çalışmanın başlığı “Quantum gases below 10 picokelvin in space”. İlk yazar Pekin Üniversitesi'nden Wei Xiong; makalede Pekin Üniversitesi'nin yanı sıra Çin Bilimler Akademisi'ne bağlı Şanghay Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü, Akademinin Uzay Kullanımı Teknoloji ve Mühendislik Merkezi (CSU) ve Fudan Üniversitesi'nden yazarlar var. Deney, istasyonun Mengtian laboratuvar modülündeki ultra soğuk atom fiziği düzeneğinde yapıldı. Aşağıdaki karşılaştırma Science özetinden ve Phys.org'un makale haberinden derlendi.

Makalenin özetinde değer “9,7 (+3,2 / −2,7) pK” biçiminde veriliyor; yani rakam tek bir nokta değil, kabaca yüzde otuzluk bir belirsizlik payı taşıyor. Özette atom sayısı 2,0 × 10 üzeri 4, yani yaklaşık 20 bin olarak veriliyor.

“Eşdeğer sıcaklık” ne anlama geliyor?

Burada kritik bir ayrım var: 9,7 pikokelvin, düzeneğin ya da etrafındaki aygıtın sıcaklığı değil. CAS'ın yayımladığı haberde bu açıkça belirtiliyor: rakam, atomların son derece yavaş genişlemesini karakterize ediyor, ekipmanın aynı sıcaklığa indiği anlamına gelmiyor.

Mantık şöyle: sıcaklık, hareketle bağlantılı bir nicelik. Hava soğudukça molekülleri yavaşlar. Araştırmacılar atom bulutunu tuzaktan bırakıp üç boyutta ne kadar yavaş yayıldığını izliyor, sonra bu genişleme hızını “bu kadar yavaş yayılan bir gaz hangi sıcaklıkta olurdu?” sorusuna çeviriyor. Phys.org'un belirttiğine göre bu tür deneylerde alışılmış termodinamik sıcaklığı ölçmek pratik olmadığı için genişleme enerjisine ve hızına dayanan bu eşdeğer sıcaklık kullanılıyor.

Kabaca bir fikir vermek için kendi hesabım (makalede verilen bir sayı değil): rubidyum-87 atomunun kütlesiyle 9,7 pikokelvine karşılık gelen tipik hız saniyede otuz mikrometre mertebesinde, yani bir saç telinin çapının yarısı kadar. Atomlar bu hızla yedi saniyede ancak birkaç yüz mikrometre yayılıyor.

Mutlak sıfır ve Bose-Einstein yoğuşması

Mutlak sıfır, 0 kelvin, yani −273,15 °C: sıcaklık ölçeğinin alt ucu. Termodinamiğin kuralları gereği oraya tam olarak inilemiyor; yalnızca giderek yaklaşılıyor. Evrenin boşluğu bile 2,7 kelvin civarındaki kozmik fon ışımasıyla bu sınırın epey üstünde. Laboratuvarda ulaşılan pikokelvinler ise doğada kendiliğinden bulunmayan, tamamen yapay ortamlar.

Bu kadar soğuk ve yoğun bir atom gazında atomlar bireyselliklerini kaybedip tek bir dalga gibi davranabiliyor. Bose-Einstein yoğuşması (BEC) denen bu hal, 1920'lerin ortasında Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein'ın kuramsal olarak öngördüğü bir madde durumu. Deneysel olarak ilk kez Temmuz 1995'te, Boulder'daki JILA'da gösterildi; Wolfgang Ketterle'nin de aralarında olduğu isimler 2001 Nobel Fizik Ödülü'nü bu alandaki çalışmalar için aldı. CAS haberinin ifadesiyle BEC, araştırmacılara tek tek atomlardan büyük ölçeklerde kuantum olaylarını inceleme ve maddenin davranışını kontrollü deneylerle araştırma imkânı veriyor.

Neden yörüngede, neden mikro yerçekimi?

Soğutmanın bilinen yolu, bir tuzağın içinde enerjili atomları dışarı kaçırmak (buharlaşmalı soğutma) ve tuzağı gevşetmek. Yerde sorun şu: tuzak ne kadar zayıflatılırsa gravite atomları aşağı çekip tuzağın dışına düşürüyor. CAS haberine göre yerçekimi, atomların ne kadar zayıf tutulabileceğini ve bırakıldıktan sonra ne kadar süre izlenebileceğini sınırlıyor. Mikro yerçekimi ise çok daha zayıf bir hapse ve çok daha uzun gözleme izin veriyor.

Phys.org'a göre, yerde sarkmayı önlemek için kullanılan manyetik havaya kaldırma yöntemi atomları aynı iç spin durumuna zorlayarak yeni bir kısıt getiriyor. Lazer ışınlarıyla kurulan optik tuzaklar daha esnek, ancak mikro yerçekiminde doğrudan bir yoğuşma üretmek için bugüne dek kullanılmamıştı; Science özeti de bunu belirtiyor. Önceki rekor, kısa süre serbest düşüş sağlayan bir düşme kulesinde elde edilmişti ve gözlem penceresi iki saniyeydi. ISS'teki Cold Atom Lab'in 52 pikokelvinlik değeri ise manyetik tuzaklama ve madde dalgası merceklemesiyle ulaşılmıştı.

Ekip yine de yörüngede yeni bir sorunla karşılaştı: araştırmacılara göre optik tuzakta buharlaşmalı soğutma mikro yerçekiminde verimsizleşiyor. Çözüm olarak ek bir manyetik alan gradyanı kullandılar; bu, yoğuşmanın üretimini iyileştirdi. Sonra atomları daha geniş bir optik tuzağa aktarıp hapsi gevşettiler ve “ani genişleme” (adyabatik olmayan genişleme) adımıyla bulutu bir kademe daha soğuttular.

Bir odadan bir dolaba

CAS'ın aktardığına göre düzenek Mengtian ile 2022'de fırlatıldı; projenin ilk değerlendirmesi 2011'de başlamıştı. Geliştiriciler, yerdeki yaklaşık 20 metreküp hacimli ve 10 ton ağırlığındaki deney sistemini, yaklaşık 0,7 metreküp ve yarım ton ağırlığında bir uçuş cihazına sığdırdı. Lazerler, hassas optikler, ultra yüksek vakum sistemi ve otomatik denetim sınırlı elektrik gücüyle güvenilir çalışmak zorundaydı; ayrıca ultra soğuk bulutu bozabilecek etkileri sınırlamak için kesin optik ve elektronik denetim gerekiyordu.

Sırada ne var?

Makalenin yazarları sistemi iki yönde değerli buluyor. Birincisi kuantum simülasyonu: uzay ortamında düşük sıcaklık fiziği, örneğin tek boyutlu bozon sistemlerinde Tomonaga-Luttinger sıvı düzeninin bozunması ya da düzensiz potansiyellerde Bose-camı ve fraktal Mott fazları. İkincisi, uzayda bir atom Mach-Zehnder interferometresi kurmak; bu da eşdeğerlik ilkesi gibi temel ilkelerin hassas sınanmasına kapı açabilir. Phys.org'a göre ekip, ayarlanabilir hacimli tuzaklarla kullanılabilir atom sayısının da artırılabileceğini düşünüyor.

Hannover Leibniz Üniversitesi'nden Ernst M. Rasel, CAS haberindeki sözleriyle durumu şöyle özetledi: atom interferometreleri, çok sayıda atom içeren ultra soğuk bir topluluk sunan kaynaklardan ve uzun gözlem sürelerinden büyük ölçüde yararlanıyor. Rasel, bu cihazların duyarlılığının atomların interferometrede geçirdiği sürenin karesiyle arttığını söyledi; bir sonraki adım olarak atomların birkaç saniye boyunca tutarlı biçimde bölünmüş kaldığı yörünge interferometrelerini gösterdi. Yerin çekim alanının ölçümü ve karanlık madde modellerinin sınanması gibi hedefler ise, haberin ifadesiyle, hâlâ ileriye dönük araştırma yönleri. Ketterle ise sonucu “atom termometresini ve hassas ölçümleri ilerletmek için mükemmel bir başlangıç noktası” diye niteledi.

Rakamın sınırları

• 9,7 pikokelvin doğrudan okunan bir termometre değeri değil; genişleme hızından çıkarılan bir eşdeğer sıcaklık ve belirsizlik aralığı 7,0 ile 12,9 pikokelvin arasında.
• Rekor, mikro yerçekimini kullanan farklı yöntemlerle (düşme kulesi, ISS, Tiangong) kurulmuş ölçümler arasında; her birinin gözlem süresi ve yöntemi başka olduğu için karşılaştırma tek bir sayıdan ibaret değil.
• Bulut yalnızca yaklaşık 20 bin atomdan oluşuyor; Rasel'in de vurguladığı gibi interferometreler çok sayıda atomdan yararlanır.
• Bildiğimiz kadarıyla sonuç tek bir düzenekten geliyor; bağımsız bir yineleme henüz yok.

Yörüngede atomları böylesine yavaşlatmak şimdi mümkün göründüğüne göre asıl soru, bu uzun ve sakin gözlem penceresinin neye yarayacağı: daha fazla atomla yapılacak bir uzay interferometresi, yerçekimini gerçekten daha hassas sınayabilecek mi, yoksa pikokelvin düzeyi bir süre daha esas olarak kuantum simülasyonunun alanı mı kalacak?

Fotoğraf: Shujianyang, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons