Навіть здавалося б, порожній вакуум космосу не є абсолютно холодним.

Всесвіт виник близько 13.8 мільярдів років тому в стані, настільки гарячому і щільному, що залишкова радіація все ще пронизує кожен його куточок.

Середня температура фону космосу становить близько 2.7 кельвінів – це -270.45 градусів Цельсія.

Тепер вчені створили щось з еквівалентною температурою, яка в 280 мільярдів разів нижча – встановивши новий рекорд у прагненні наблизитися до абсолютного нуля.

На борту китайської космічної станції Тяньгун фізики досягли рекордної еквівалентної температури всього 9.7 пікокельвінів – або 0.0000000000097 кельвінів, що, за словами дослідників, є найнижчою еквівалентною температурою, коли-небудь виміряною.

Абсолютний нуль – це теоретичний нижній межа температури, яку може досягти Всесвіт. У цей момент теплова енергія фізично не може знижуватися далі.

Але, на відміну від швидкості світла, абсолютний нуль досягти неможливо. Чим ближче вчені підходять, тим важче стає видаляти залишкову теплову енергію.

Проте це не зупинило фізиків, і чим ближче вони підходять, тим дивніше починає поводитися матерія.

Одним з найкращих прикладів є конденсат Бозе-Ейнштейна, екзотичний стан матерії, що формується, коли певні атоми охолоджуються до температур, що лише на частки градуса вище абсолютного нуля.

У цих екстремальних умовах атоми починають поводитися колективно, їхні індивідуальні квантові стани зливаються в єдине ціле.

Вони перестають діяти як колекція окремих частинок і починають функціонувати майже як один величезний квантовий об'єкт.

Ці конденсати також можуть використовуватися для надзвичайно чутливих вимірювань фізичного світу, потенційно допомагаючи вченим досліджувати деякі з основних законів, що керують Всесвітом.

Але створення конденсатів Бозе-Ейнштейна не є простим, і на Землі цей процес стикається з невідворотним обмеженням – гравітацією.

Тому дослідники перенесли свій експеримент в космос, де гравітація є меншою проблемою.

Вони не перші. NASA створила перший конденсат Бозе-Ейнштейна в орбіті на борту Міжнародної космічної станції в 2018 році, охолодивши хмару атомів рубідію до 100 нанокельвінів.

З тих пір інші продовжили розширювати ці межі, з попереднім рекордом 38 пікокельвінів, досягнутим під час експерименту в Німеччині.

Новий експеримент, очолюваний фізиками з Пекінського університету, скористався тривалою мікрогравітаційною середовищем, щоб ще більше знизити температуру.

Дослідники почали з хмари атомів рубідію-87, ізотопу елемента, особливо придатного для лазерного охолодження.

Вони використовували лазери для охолодження атомів, які були обмежені в оптичній пастці.

Потім вони застосували техніку, звану випарувальним охолодженням, де найбільш енергійні атоми дозволяються втекти, залишаючи решту атомів з меншою енергією.

На Землі гравітація може допомогти цьому процесу, але в космосі, де все перебуває в постійному вільному падінні, ця допомога відсутня.

Тому дослідники застосували градієнт магнітного поля, який імітував ефект гравітації на атоми.

На цьому етапі експеримент містив конденсат Бозе-Ейнштейна з близько 20,000 атомів рубідію, охолоджених до температури всього 3.1 нанокельвінів.

Але дослідники не зупинилися на цьому.

Вони перенесли конденсат у другу, ширшу пастку, потім поступово послабили пастку, дозволяючи хмарі атомів розширитися.

Нарешті, вони зовсім вимкнули пастку і спостерігали, як хмара розсіюється.

Вона розширювалася так повільно, що дослідники могли ще виявити атоми через сім секунд після їх звільнення.

Вимірюючи, як швидко хмара розширюється, команда обчислила її еквівалентну температуру: рекордні 9.7 пікокельвінів.

Це не зовсім те ж саме, що звичайна температура. Еквівалентна температура описує енергію, пов'язану з розширенням хмари.

І для вчених, які сподіваються використовувати ці хмари атомів для надзвичайно точних вимірювань, це розрізнення важливе.

Чим повільніше атоми розсіюються, тим довше їх можна спостерігати і маніпулювати – і тим чутливішими можуть стати ці вимірювання.

Цей результат має дійсно цікаві наслідки для майбутніх досліджень.

Одним з особливо перспективних застосувань є атомна інтерферометрія, яка використовує хвильові властивості атомів для вимірювання надзвичайно малих змін у їхньому середовищі.

З більшою кількістю часу для спостереження атомів вчені можуть створити більш чутливі інструменти для тестування основних фізичних принципів.

Здатність виробляти такі ультрахолодні квантові гази в космосі також може дозволити дослідникам досліджувати екзотичні стани матерії, які важко вивчати в лабораторіях на Землі.

"Ця повністю оптична ультрахолодна платформа ... відповідає вимогам для квантового моделювання та точних вимірювань у майбутніх космічних місіях," пишуть дослідники.

Дослідження було опубліковано в Science.