Name: 【TED-Ed】暑い夏にほしい？世界で最も「冷たい」ものはなに？
Uploaded: 2022-07-20T21:01:10.000Z
Duration: 4 min 26 s

The coldest materials in the world aren't in Antarctica; they're not at the top of Mount Everest or buried in a glacier.

世界で最も冷たい物は南極にあるわけでもなく、エベレストの頂上にあるわけでもなく、氷河に埋もれているわけでもないのです。

それは物理学の研究室にあります。

程度の副詞

Clouds of gases held just fractions of a degree above absolute zero.

絶対零度から数十分の一の温度の気体の雲です。

That's 395 million times colder than your refrigerator, 100 million times colder than liquid nitrogen, and four million times colder than outer space.

これは、冷蔵庫の3億9500万倍、液体窒素の1億倍、宇宙の400万倍ということになります。

Temperatures this low give scientists a window into the inner workings of matter, and allow engineers to build incredibly sensitive instruments that tell us more about everything from our exact position on the planet to what's happening in the farthest reaches of the universe.

この低温によって、科学者は物質の内部構造を知ることができ、エンジニアは、地球上の私たちの正確な位置から宇宙の果てで起こっていることまで、あらゆることを教えてくれる非常に感度の高い装置を作ることができるのです。

How do we create such extreme temperatures?

どのようにして、このような極端な温度を作り出しているのでしょうか？

In short, by slowing down moving particles.

つまり、動いている粒子を遅くすることで、その効果を発揮します。

When we're talking about temperature, what we're really talking about is motion.

温度の話をするとき、その実態は「動き」です。

The atoms that make up solids, liquids, and gases are moving all the time.

固体、液体、気体を構成する原子は、常に動いています。

When atoms are moving more rapidly, we perceive that matter as hot.

原子の動きが速くなると、私たちはその物質を熱いと感じるようになります。

When they're moving more slowly, we perceive it as cold.

動きが鈍いと、寒いと感じるのです。

To make a hot object or gas cold in everyday life, we place it in a colder environment, like a refrigerator.

日常生活で高温の物体やガスを冷やすには、冷蔵庫のような低温の環境に置きます。

Some of the atomic motion in the hot object is transferred to the surroundings, and it cools down.

高温になった物体の原子運動の一部が周囲に伝わり、冷却されます。

But there's a limit to this: Even outer space is too warm to create ultra-low temperatures.

しかし、これには限界があります。宇宙空間といえども、超低温を作り出すには暖かすぎるのです。

So instead, scientists figured out a way to slow the atoms down directly – with a laser beam.

そこで科学者たちは、レーザー光線で原子を直接減速させる方法を考え出したのです。

Under most circumstances, the energy in a laser beam heats things up.

レーザー光のエネルギーは、ほとんどの場合、物体を加熱します。

But used in a very precise way, the beam's momentum can stall moving atoms, cooling them down.

しかし、非常に精密な方法で使用すると、ビームの勢いが移動する原子を停滞させ、冷却することができます。

That's what happens in a device called a magneto-optical trap.

それが、光磁気トラップと呼ばれる装置で起こっているのです。

Atoms are injected into a vacuum chamber, and a magnetic field draws them towards the center.

真空空間に原子を注入し、磁場によって原子を中心に引き寄せます。

A laser beam aimed at the middle of the chamber is tuned to just the right frequency that an atom moving towards it will absorb a photon of the laser beam and slow down.

空間の真ん中に向けたレーザー光は、向かってくる原子がレーザー光の光子を吸収して速度を落とすのにちょうど良い周波数に調整されています。

The slow down effect comes from the transfer of momentum between the atom and the photon.

減速効果は、原子と光子の間で運動量が移動することに由来します。

A total of six beams, in a perpendicular arrangement, ensure that atoms traveling in all directions will be intercepted.

合計6本のビームを垂直に配置することで、あらゆる方向に進む原子を確実にとらえることができます。

At the center, where the beams intersect, the atoms move sluggishly, as if trapped in a thick liquid — an effect the researchers who invented it described as "optical molasses."

ビームが交差する中心部では、原子はまるで厚い液体の中に閉じ込められたようにゆっくりと動き、この効果を考案した研究者は「光学的糖蜜」と表現しています。

A magneto-optical trap like this can cool atoms down to just a few microkelvins — about -273 degrees Celsius.

このような光磁気トラップは、原子をわずか数マイクロケルビン（摂氏-273度）程度まで冷却することができます。

This technique was developed in the 1980s, and the scientists who'd contributed to it won the Nobel Prize in Physics in 1997 for the discovery.

この技術は1980年代に開発され、この発見に貢献した科学者は1997年にノーベル物理学賞を受賞しています。

Since then, laser cooling has been improved to reach even lower temperatures.

その後、レーザー冷却はさらに低温に到達するよう改良されています。

But why would you want to cool atoms down that much?

しかし、なぜそこまでして原子を冷やしたいのでしょうか？

First of all, cold atoms can make very good detectors.

１つ目は、冷たい原子は非常に良い検出器になります。

With so little energy, they're incredibly sensitive to fluctuations in the environment.

エネルギーが少ないため、環境の変動に非常に敏感なのです。

So they're used in devices that find underground oil and mineral deposits, and they also make highly accurate atomic clocks, like the ones used in global positioning satellites.

そのため、地下の石油や鉱床を見つける装置や、全地球測位衛星に使われているような高精度の原子時計を作るのにも使われているのです。

Secondly, cold atoms hold enormous potential for probing the frontiers of physics.

２つ目は、冷たい原子は物理学の最前線を探る上で非常に大きな可能性を秘めています。

Their extreme sensitivity makes them candidates to be used to detect gravitational waves in future space-based detectors.

その感度の高さから、将来の宇宙用検出器で重力波を検出するための候補となります。

They're also useful for the study of atomic and subatomic phenomena, which requires measuring incredibly tiny fluctuations in the energy of atoms.

また、原子のエネルギーの微小なゆらぎを測定する必要がある、原子・素粒子現象の研究にも有効です。

Those are drowned out at normal temperatures, when atoms speed around at hundreds of meters per second.

常温では、原子が秒速数百メートルで飛び回っているため、このような現象はかき消されてしまうのです。

Laser cooling can slow atoms to just a few centimeters per second— enough for the motion caused by atomic quantum effects to become obvious.

レーザー冷却は、原子を秒速数センチメートルまで減速させることができ、原子の量子効果による運動が明らかになるのに十分です。

Ultracold atoms have already allowed scientists to study phenomena like Bose-Einstein condensation, in which atoms are cooled almost to absolute zero and become a rare new state of matter.

超超低温の原子によって、原子がほぼ絶対零度まで冷却され、珍しい新しい物質の状態になるボーズ-アインシュタイン凝縮などの現象がすでに研究されているのです。

So as researchers continue in their quest to understand the laws of physics and unravel the mysteries of the universe, they'll do so with the help of the very coldest atoms in it.

物理法則を理解し、宇宙の謎を解き明かそうとする研究者たちは、宇宙の中で最も冷たい原子の力を借りて、それを実現することになるのです。