Suolo orizzonte normalmente si trovano sotto l'orizzonte O e sopra l'orizzonte B. Questo strato è caratterizzato da due caratteristiche seguenti: (1) uno strato nel quale humus e altri materiali organici sono mescolati con particelle minerali. (2) Una zona di traslocazione da cui dilavamento ha rimosso particelle più fini e sostanze solubili. Un corpo d'aria la cui temperatura e umidità caratteristiche restare relativamente costante per una distanza orizzontale di centinaia di migliaia di chilometri. Le masse d'aria sviluppano le loro caratteristiche climatiche rimanendo stazionaria su una regione di source per un numero di giorni. masse d'aria sono classificati in base alle loro caratteristiche di temperatura e umidità. Intossicazione dell'atmosfera attraverso l'aggiunta di una o più sostanze nocive nell'aria. Sostanza deve essere in concentrazioni sufficientemente elevate per essere pericolosi per gli esseri umani, altri animali, la vegetazione, o materiali. Vedere anche inquinante primario e inquinante secondario. strumento meccanico utilizzato per misurare la velocità del vento. Questi strumenti comunemente impiegati tre metodi per misurare questo fenomeno: 1) Un dispositivo con tre o quattro coppe aperte collegati a una vertebrale rotante. La velocità di rotazione viene poi convertita in una misura della velocità del vento 2) Una piastra di pressione che misura la forza esercitata dal vento muove perpendicolarmente 3) Uno strumento costituito da un riscaldata fili in cui la resistenza elettrica (temperatura del filo) è rettificato per tenere conto di calore perso dal flusso d'aria. Il più veloce il vento maggiore è la perdita di calore e quindi la maggiore energia che è necessaria per mantenere il filo a temperatura costante. Come risultato, la velocità del vento viene misurata attraverso lo scarico della corrente elettrica. Barometro che misura la pressione atmosferica tramite l'espansione e la contrazione di una cella cava sigillata che è parzialmente esaurita dell'aria. Gruppo di piante vascolari, che racchiudono i semi in un ovaio maturo o frutta. Angolo di incidenza Angolo in cui i raggi Soli o insolazione colpiscono la superficie terrestre. Se il sole è posizionato direttamente sulla testa o 90deg dall'orizzonte, l'insolazione ingresso colpisce la superficie terrestre ad angolo retto ed è più intenso. Misura comunemente usato in ingegneria civile. E 'l'angolo massimo al quale un materiale può essere inclinato senza fallire. Geomorpologist utilizzare questa misura per determinare la stabilità del pendio per movimenti di massa. Gli organismi che appartengono al regno Animalia. Caratteristiche generali di questi organismi sono: tipo di cellula eucariotica, i mitocondri. e un complesso sistema nervoso. Questo gruppo di vita comprende organismi come spugne, meduse, artropodi (insetti, gamberi e aragoste), molluschi (lumache, vongole, ostriche, e polpi), pesci, anfibi (rane, rospi e salamandre), rettili (tartarughe, lucertole , alligatori, coccodrilli, serpenti), uccelli e mammiferi (canguri, pipistrelli, gatti, conigli, elefanti, balene, focene, scimmie, scimmie, e gli esseri umani). Gruppo, a livello Unito, nella classificazione della vita. organismi multicellulari che hanno un tipo di cellula eucariotica, mitocondri. e un complesso sistema nervoso. Uno ione che trasporta una carica atomica negativo. Le specie vegetali che completa la sua vita in una stagione di crescita. Latitudine di 66.5deg Sud. Il limite settentrionale dell'area della Terra che vive 24 ore di buio o 24 ore del giorno almeno un giorno durante l'anno. Una regione di alta pressione che occupa centrale antartica durante tutto l'anno. Questo sistema di pressione è responsabile per temperature molto fredde e estremamente bassa umidità. Un sistema di pressione atmosferica costituito da una zona di alta pressione e verso l'esterno circolare flusso di superficie del vento. Nei venti dell'emisfero settentrionale da un colpo anticiclone in senso orario, mentre i sistemi dell'emisfero meridionale soffiano in senso antiorario. E 'il punto in orbita terrestre quando è più lontana dal Sole (152,5 milioni di chilometri). Aphelion si verifica il 3 o il 4 luglio. Applicata Geografia fisica Il campo di Applied Geografia fisica utilizza le informazioni teoriche dai vari campi di Geografia fisica per gestire e risolvere i problemi legati a fenomeni naturali che si trovano nel mondo reale. Con riferimento all'acqua. Le formazioni rocciose che sono impermeabili per le acque sotterranee di acqua. Ricarica degli acquiferi Area Superficie che fornisce l'acqua per una falda acquifera. È un gruppo di organismi recentemente scoperto che assomigliano batteri. Tuttavia, questi organismi sono biochimicamente e geneticamente molto diverso da batteri. Alcune specie di dominio Archaea vivono in ambienti più estremi si trovano sulla Terra. Termine usato per descrivere organismi che appartengono al dominio biologica Archaea. EON geologica che si è verificato 2500-3800 milioni di anni fa. Durante questo periodo di tempo, i primi organismi procarioti unicellulari si sono evoluti e sviluppati. Un gruppo di isole che hanno una distribuzione a forma di arco. Queste isole sono di solito di origine vulcanica e sono associati a zone di subduzione. Gli studi sulla zona tradizione tradizione accademica in Geografia moderna che indaga su una superficie sulla Terra da un punto di vista geografico sia a scala locale, regionale o globale. Sharp cresta topografica che separa circhi su una montagna che è o è stato glaciale. Un tipo di arenaria sedimentaria che contiene una grande quantità di grani di feldspato intemperie. Questo tipo di forme roccia sedimentaria in condizioni aride. Le acque sotterranee che viene confinato da due strati impermeabili sotto la superficie terrestre. Un pozzo dove sorge acqua e scorre in superficie a causa della pressione idrostatica. Latitudine di 66.5deg Nord. Il limite meridionale della zona della Terra che vive 24 ore di buio o 24 ore del giorno almeno un giorno durante l'anno. Qualsiasi processo di riproduzione che non comporta la fusione dei gameti. (1) L'assorbimento e la creazione di risorse alimentari. (2) prodotti metabolici biologici di digestione degli alimenti. Di solito i vari costituenti organici dell'organismo. Zone nel mantello terrestre che presenta proprietà plastiche. Situato sotto la litosfera a tra 100 e 200 chilometri. Il campo di conoscenza che studia la natura, il movimento, l'origine e la costituzione dei corpi celesti. L'atmosfera è vasto involucro gassoso di aria che circonda la Terra. I suoi confini non sono facilmente definiti. L'atmosfera contiene un complesso sistema di gas e particelle sospese che si comportano in molti modi, come fluidi. Molti dei suoi componenti sono derivati dalla Terra attraverso reazioni chimiche e biochimiche. Peso dell'atmosfera su una superficie. A livello del mare. la pressione atmosferica media è di 1013,25 millibar. La pressione viene misurata da un dispositivo chiamato un barometro. Stabilità relativa delle particelle d'aria rispetto a l'atmosfera che li circonda. Tre condizioni sono generalmente descritti: stabile. instabile. e neutrale. Una scogliera a forma di anello composta in gran parte di corallo. Queste caratteristiche sono abbastanza comuni nelle acque tropicali dell'Oceano Pacifico. Più piccola unità di un elemento che conserva le sue caratteristiche chimiche. Energia rilasciato da un nucleo atomico causa di un cambiamento nella sua massa subatomiche. luci Atomic Mass Numero multicolore che compaiono negli strati superiori dell'atmosfera (ionosfera) sopra le regioni polari e visibile da siti in mezzo e alte latitudini. Causato dall'interazione del vento solare con ossigeno e azoto nell'atmosfera. Aurora nell'emisfero settentrionale sono chiamati aurora borelis e aurora australe nell'emisfero meridionale. Successione dove la comunità impianto fa sì che l'ambiente di cambiare e questa modifica guida la successione. Un organismo che produce molecole alimentari inorganico utilizzando una luce o chimiche fonti basate di energia esterna. Questo organismo non richiede fonti esterne di energia alimenti biologici per la sopravvivenza. Vedere anche autotrofi chimici e autotrofi fotosintetici. Uno dei due giorni durante l'anno in cui la declinazione del Sole è all'equatore. L'equinozio d'autunno denota il primo giorno della stagione autunnale. Per l'emisfero settentrionale, la data di equinozio d'autunno su entrambi Settembre 22 o 23 (variazioni annuali). 20 marzo o 21 è la data dell'equinozio d'autunno nel sud del mondo. Durante l'equinozio d'autunno, tutti i punti della Terra (eccetto i poli) sperimentano uguale (12 ore) giorno e notte. Porzione di acqua capillare che è disponibile per assorbimento radicale della pianta. Media TemperatureNARRATOR globale: il più grande trionfo della civiltà è spesso visto come la nostra padronanza di calore, eppure la nostra conquista del freddo è un viaggio altrettanto epico, dagli inizi scuri per una frontiera ultracool. Per secoli, il freddo è rimasto un mistero sconcertante, senza benefici pratici evidenti. Eppure, negli ultimi 100 anni, il freddo ha trasformato il nostro modo di vivere e lavorare. Immaginate supermercati senza refrigerazione, grattacieli senza aria condizionata, gli ospedali senza macchine MRI e ossigeno liquido. Noi diamo per scontato la tecnologia del freddo, eppure ci ha permesso di esplorare lo spazio esterno e le profondità interiori del nostro cervello, E, come sviluppiamo una nuova tecnologia ultrafreddi per creare computer quantistici e le reti ad alta velocità, cambierà il nostro modo di lavorare e interagire. Come abbiamo fatto a sfruttiamo qualcosa, una volta considerato troppo temibile di indagare anche come hanno scienziati e sognatori, nel corso degli ultimi quattro secoli, immerso sempre più in basso lungo la scala di temperatura per conquistare il freddo e raggiungere il suo limite ultimo, un Santo Graal inafferrabile come la velocità limite di luce zero assoluto. accanto a NOVA. finanziamento maggiore per NOVA è fornito da David H. Koch. E. Scopri nuove conoscenze: HHMI. finanziamento maggiore per Absolute Zero è fornito dal National Science Foundation, dove le scoperte iniziano. Ulteriori finanziamenti è previsto l'Alfred P. Sloan Foundation, per ritrarre la vita di uomini e donne impegnati nella ricerca scientifica e tecnologica. finanziamento maggiore per NOVA è fornito anche dalla Corporation for Public Broadcasting e PBS spettatori come te. Grazie. NARRATORE: Il freddo estremo ha sempre avuto un posto speciale nel nostro immaginario. Per migliaia di anni sembrava che una forza maligna associata con la morte e le tenebre. Fredda era un fenomeno inspiegabile. Era una sostanza, un processo o un po 'speciale stato di essere di nuovo nel 17 ° secolo non si sapeva, ma certamente sentito i suoi effetti nel freddo inverno di Londra. SIMON SCHAFFER (Università di Cambridge): XVII secolo in Inghilterra era nel mezzo di che cosa è ora chiamata la piccola era glaciale. E 'stato incredibilmente freddo per gli standard moderni. Dovete immaginare un mondo illuminato da un incendio, in cui la maggior parte delle persone sono freddi maggior parte del tempo. Fredda sarebbe sentito come una presenza reale, una sorta di agente di positivo che è stato che colpisce come la gente sentiva. NARRATORE: Allora, la gente si sentiva in balia del freddo. Questo è stato un momento in cui tali forze naturali sono state viste con timore, come cause di forza maggiore, in modo da chiunque tenti di manomettere il freddo lo ha fatto a suo rischio e pericolo. Il primo a provare era un alchimista, Cornelius Drebbel. In una calda giornata estiva, nel 1620, il re Giacomo I e il suo seguito sono arrivati a sperimentare un evento soprannaturale. Drebbel, che era anche il mago corte, aveva una scommessa con il re che avrebbe potuto trasformare l'estate in inverno. Egli avrebbe cercato di raffreddare l'aria nel più grande spazio interno nelle isole britanniche, la Sala Grande di Westminster. Drebbel spera di scuotere il re al suo nucleo. ANDREW Szydło (Chimica Historian): Aveva una mente straordinariamente fertile. Era un inventore per eccellenza. Tutto il suo mondo era immerso in un mondo di alchimia, di macchine moto perpetuo, del concetto di tempo, spazio, i pianeti, la luna, il sole, gli dei. Era un uomo con fervore religioso. Era una persona per la quale la natura ha presentato un fenomenale. una galassia di possibilità. NARRATORE: Dr. Andrew Szydlo, un chimico con un fascino permanente per Drebbel, gode la sua reincarnazione come il grande mago di corte. Come la maggior parte alchimisti, Drebbel mantenuto i suoi metodi segreti. Dr. Szydlo vuole mettere alla prova le sue idee su come Drebbel creato freddo artificiale. ANDREW Szydło: Quando Drebbel stava cercando di raggiungere la temperatura più bassa possibile, sapeva che il ghiaccio, naturalmente, è stato il punto di congelamento, il più freddo si potrebbe ottenere normalmente. Ma sarebbe stato a conoscenza dei fatti, attraverso la sua esperienza, che la miscelazione ghiaccio con diversi sali potrebbe ottenere una temperatura più fredda. NARRATORE: Sale abbasserà la temperatura alla quale si scioglie il ghiaccio. Dr. Szydlo pensa Drebbel probabilmente usato comune sale da cucina, che dà il più grande calo di temperatura. Ma il sale e il ghiaccio da solo non sarebbe sufficiente a raffreddare l'aria all'interno di un grande interno tale. Drebbel era famoso per la progettazione di congegni elaborati, una passione condivisa dal Dr. Szydlo, che ha un'idea per la macchina alchimisti. ANDREW Szydło: Ecco, avremmo avuto un ventilatore, che sarebbe stato girato, soffiando aria calda sopra i vasi freddo là. E come l'aria soffia in questi vasetti freddi avremmo avuto, in effetti, i mondi prima unità di aria condizionata. Narratore: Ma questo potrebbe davvero trasformare l'estate in inverno ANDREW Szydło: L'idea è quella di mescolare nel miglior modo possibile, nei cinque secondi che hanno a che fare. NARRATORE: Dr. Szydlo impila i vasetti di congelamento miscela per creare corridoi freddi per l'aria di passare attraverso. ANDREW Szydło: Ora possiamo sentire la sua molto freddo. In realtà, ho potuto sentire l'aria fredda in realtà cade sulle mie mani, perché l'aria fredda, ovviamente, è più densa dell'aria calda, e si può sentire chiaramente sulle dita. NARRATORE: La domanda fondamentale: sarebbe la folata di aria calda diventare fredda ANDREW Szydło: Posso sentire, di certo, un getto d'aria fredda mi colpisce come quella seconda copertina è stato rilasciato. Ebbene, la temperatura. erano il 14 al momento. Sì, andare avanti. Questo è sicuramente la giusta direzione. NARRATORE: Re Giacomo sarebbe stato scosso dal suo incontro con il freddo artificiale. Aveva Drebbel scritto la sua grande trovata, avrebbe potuto passato alla storia come l'inventore di aria condizionata, ma sarebbe quasi tre secoli prima che questa idea sarebbe effettivamente decollare. Per progredire le conoscenze e conquistare il freddo necessario un approccio molto diverso, il metodo scientifico. La questione fondamentale, cosa è infestata freddo Robert Boyle quasi 50 anni più tardi. Il figlio del conte di Cork, un ricco nobile, Boyle ha usato la sua fortuna per costruire un ampio laboratorio. Boyle è famoso per i suoi esperimenti sulla natura dell'aria, ma divenne anche il primo maestro di freddo. Credendo che fosse un argomento importante ma trascurata, ha effettuato centinaia di esperimenti. SIMON SCHAFFER: ha lavorato attraverso, molto sistematicamente, una serie di idee su cosa fredda è: Le viene dall'aria Viene da l'assenza di luce è che ci sono strani cosiddetto frigorific particelle NARRATORE-fare freddo: In giorno Boyles, l'opinione dominante era che il freddo è una sostanza primordiale che gli enti prendono in mentre ottengono più freddo ed espellono come si riscaldano. E 'stato questo che Boyle sarebbe poi ribaltare da una serie di esperimenti accuratamente elaborate sulla acqua. In primo luogo, ha pesato con attenzione un barile di acqua e si dirige fuori nella neve, lasciando a congelare durante la notte. Boyle era curioso di sapere il modo in cui l'acqua espansa quando si è in ghiaccio. Ha pensato che se, una volta che l'acqua si voltò verso il ghiaccio, il barile pesava più, allora forse il freddo era una sostanza, dopo tutto. Ma quando si ri-pesato la canna, hanno scoperto pesava esattamente lo stesso. SIMON SCHAFFER: Quindi, ciò che deve accadere, Boyle indovinato, era che le particelle di acqua si muovevano più distanti, e che fu l'espansione, non è una sostanza che scorre nel cilindro dall'esterno. NARRATORE: Boyle stava diventando sempre più convinto che il freddo non era una sostanza, ma qualcosa che stava accadendo a singole particelle, e cominciò a pensare di nuovo ai suoi precedenti esperimenti con l'aria. Come la materia come l'aria diventa più calda, esso tende ad espandersi. Boyle immaginato le particelle d'aria erano come molle piccoli, a poco a poco di svolgimento, e prendendo più spazio come si riscaldano. SIMON SCHAFFER: Boyles conclusione, qui, è che il calore è una forma di movimento di un tipo particolare, e che come corpi raffreddare si muovono sempre meno. NARRATORE: Boyles libro più lungo pubblicato era sul freddo, ma ha trovato il suo studio fastidioso e pieno di difficoltà, dichiarando che si sentiva come un medico cercando di lavorare in un paese a distanza senza il beneficio di strumenti o medicine. Per esplorare correttamente questo paese del freddo, Boyle ha lamentato la mancanza di uno strumento vitale, un termometro di precisione. Non è stato fino alla metà del 17 ° secolo che soffiatori di vetro a Firenze ha cominciato a produrre i termometri accuratamente calibrati. Ora è diventato possibile misurare gradi di caldo e freddo. Come l'aria nell'esperimento Boyles, il calore fa la maggior parte delle sostanze si espandono. termometri I primi usati alcool, che è più leggero di mercurio e si espande molto di più con il calore, così questi primi termometri erano a volte lungo diversi metri e spesso avvolto in spirali. Ma c'era ancora un grosso problema con tutti i termometri: la mancanza di una scala di temperatura universalmente accettata. HASOK Chang (University College London): Ci sono tutti i tipi di diversi modi di cercare di attaccare i numeri attraverso questi gradi di caldo e freddo. E, nel complesso, didnt accordo con l'altro a tutti. Così un ragazzo a Firenze fa una sorta di termometro, un altro ragazzo a Londra fa un genere diverso, e hanno appena neppure non hanno la stessa scala. E quindi c'era un sacco di problemi nel cercare di uniformare i termometri. NARRATORE: La sfida era quella di trovare gli eventi in natura che si verificano sempre alla stessa temperatura e punti fissi fanno. All'estremità inferiore della scala, che potrebbe essere ghiaccio come comincia a sciogliersi in corrispondenza dell'estremità superiore potrebbe essere calda cera al suo punto di fusione. La prima scala di temperatura per essere ampiamente adottato è stato ideato da Gabriel Daniel Fahrenheit, un costruttore di strumenti di talento che ha fatto termometri per gli scienziati e medici in tutta Europa. Aveva diversi punti fissi: usava una miscela di ghiaccio, acqua e sale per il suo zero gradi fusione del ghiaccio in acqua a 32 gradi e per il punto fisso superiore, la temperatura del corpo umano a 96 gradi, che è vicino al il valore moderno. HASOK CHANG: Una delle cose che Fahrenheit è stato in grado di raggiungere era quello di rendere termometri piuttosto piccolo, e che lo ha fatto utilizzando il mercurio, al contrario di alcool o di aria, che altre persone avevano usato. E poiché termometri al mercurio sono compatti, chiaramente se stai cercando di usarlo per scopi clinici, non volete qualche cosa grande che spuntano dal paziente. Quindi il fatto che avrebbe potuto farli piccolo e comodo, che sembra essere ciò che ha reso così famoso Fahrenheit e così influente. NARRATORE: E 'stato un astronomo svedese, Anders Celsius, che si avvicinò con l'idea di dividere la scala tra due punti fissi in 100 divisioni. HASOK CHANG: La scala originale usato da Celsius era a testa in giù, così ha avuto il punto di ebollizione dell'acqua come zero, e il punto di congelamento, come 100, con i numeri solo continua ad aumentare come andiamo sotto lo zero. E questo è un altro piccolo mistero nella storia del termometro che abbiamo appena non so per certo. Che cosa stava pensando quando ha etichettato in questo modo Ed è stato il botanico Linneo, che era allora il presidente dell'Accademia svedese che, dopo pochi anni, ha detto, bene, abbiamo bisogno di fermare questa assurdità, e invertito la scala per dare noi ciò che oggi chiamiamo scala Celsius, oggi. NARRATORE: A nessuno domanda pensato di chiedere al momento di definire scale di temperatura era bassa Come si può andare C'è un limite minimo assoluto di temperatura L'idea che ci potrebbe essere sarebbe diventato un punto di svolta nella storia del freddo. HASOK CHANG: La storia inizia con il fisico francese Guillaume Amontons. Stava facendo esperimenti riscaldamento e corpi di aria di raffreddamento per vedere come si espandono e si contraggono. NARRATORE: Amontons aria riscaldata in un bulbo di vetro ponendolo in acqua calda. Proprio come un pallone ad aria calda, l'aria nel bulbo di vetro espanso come l'aumento della pressione forzato una colonna di mercurio il tubo. Poi ha cercato di raffreddamento dell'aria. HASOK CHANG: E 'stato meno di notare che, bene, quando la pelle fresca di un corpo d'aria, la pressione sarebbe andato giù. E ha ipotizzato, Bene, che cosa accadrebbe se abbiamo appena tenuto raffreddamento NARRATORE: Tracciando questa temperatura che cade contro la pressione, Amontons visto che la temperatura è scesa, così ha fatto la pressione, e questo gli ha dato un'idea straordinaria. ANDREW Szydło: Amontons ha iniziato a prendere in considerazione la possibilità, cosa accadrebbe se proiettato questa riga indietro fino a quando la pressione era pari a zero e questa è stata la prima volta nel corso della storia che la gente aveva in realtà considerato il concetto di zero assoluto di temperatura: a zero pressione, temperatura zero. HASOK CHANG: E 'stato un bel un'idea rivoluzionaria, quando si pensa a questo proposito, perché si wouldnt basti pensare che la temperatura ha un limite di limite inferiore, o pari a zero, perché alla fine superiore può andare avanti per sempre, pensiamo, fino al suo più caldo e più caldo e più caldo. Ma in qualche modo, forse theres un punto zero in cui tutto questo ha inizio. Così si potrebbe effettivamente dare un calcolo di dove questo punto zero sarebbe. Amontons fatto fare questo calcolo se stesso, ma alcune altre persone hanno fatto in seguito. E quando lo fai, tu, si ottiene un valore di questo è in realtà non è così lontano dal valore moderna, più o meno, meno-273 centigradi. NARRATORE: In un colpo solo, Amontons era reso conto che anche se le temperature potrebbero andare ad aumentare per sempre, essi potrebbero cadere solo per quanto riguarda questo punto assoluto, ora noto per essere meno-273 gradi centigradi. Per lui, questo è stato un limite teorico, non è un obiettivo di tentare di raggiungere. Prima gli scienziati potrebbero avventurarsi verso questo punto zero, ben oltre le temperature più fredde della Terra, di cui avevano bisogno per risolvere una questione fondamentale. Ormai, la maggior parte degli scienziati definiti freddo semplicemente come l'assenza di calore, ma ciò che è stato realmente accadendo come sostanze riscaldata o raffreddata era ancora oggetto di accesi dibattiti. SIMON SCHAFFER: L'argomento di uomini come Amontons basava completamente l'idea che il calore è una forma di movimento e che le particelle si muovono sempre più strettamente insieme, come la sostanza in cui theyre in ottiene più freddo. NARRATORE: Purtroppo la scienza del freddo era in procinto di subire una grave battuta d'arresto. L'idea che il raffreddamento è stato causato da particelle di rallentamento ha cominciato ad andare di moda. Alla fine del 18 ° secolo, una teoria rivale del caldo e del freddo è emerso che era allettante attraente, ma completamente sbagliato. E 'stato chiamato teoria del calorico, e il suo principio avvocato è stato il grande chimico francese Antoine Lavoisier. Come la maggior parte scienziati del tempo, Lavoisier era un ricco aristocratico che ha finanziato la propria ricerca. Lui e sua moglie, la signora Lavoisier, che ha assistito con i suoi esperimenti, anche commissionato il celebre pittore David di dipingere il loro ritratto. Lavoisier effettuato esperimenti per sostenere l'idea errata che il calore era una sostanza, un fluido senza peso che ha chiamato calorico. HASOK CHANG: Pensava, allo stato solido della materia, molecole sono stati imballati appena vicino a vivere insieme, e quando è stato aggiunto sempre più calorica a questo, la stessa sarebbe calorico insinuare tra queste particelle di materia e di sciogliere. Quindi l'idea di base era che calorica era questo fluido che era, come diceva lui, di auto-repellente. Semplicemente tendeva a rompere le cose l'uno dall'altro. E questo è il suo concetto di base del calore. Così freddo è solo l'assenza di calorico, o la relativa mancanza di calorico. NARRATORE: Lavoisier aveva anche un apparecchio per misurare calorico, che ha definito un calorimetro. Ha confezionato il compartimento esterno con ghiaccio. All'interno ha condotto esperimenti che hanno generato il calore, a volte da reazioni chimiche, a volte dagli animali, per determinare la quantità di calorie è stato rilasciato. Ha raccolto l'acqua dal ghiaccio fondente e pesato per calcolare la quantità di calorico generato da ogni fonte. Robert Fox (Università di Oxford): Penso che la cosa che colpisce di più è che Lavoisier vede calorico come una sostanza che è esattamente paragonabile con la materia ordinaria, al punto che egli comprende calorica nella sua lista degli elementi. SIMON SCHAFFER: infatti, per Lavoisier, il suo elemento, come l'ossigeno o azoto. gas ossigeno è fatta di ossigeno, più calorica, e se si prende la via calorico, presumibilmente, l'ossigeno potrebbe liquefare. Quindi è un modello molto difficile da spostare, perché spiega così tanto, e, anzi, Lavoisiers chimica era così altrimenti straordinario successo. Tuttavia, Lavoisiers storia calorico è stata presto minata. NARRATORE: Ma c'era un uomo che è stato convinto Lavoisier era sbagliato ed era determinato a distruggere la teoria del calorico. Il suo nome era il Conte Rumford. Conte Rumford aveva un passato colorato. E 'nato in America, spiato per gli inglesi durante la Rivoluzione, e dopo essere stato costretto all'esilio, divenne un ministro del governo influente in Baviera. Tra le sue varie responsabilità sono stati i lavori di artiglieria, e fu qui, nel 1790, che cominciò a pensare a come si potrebbe essere in grado di confutare la teoria del calorico utilizzando cannone noioso. Rumford aveva notato che l'attrito da noioso fuori un barile cannone ha generato un sacco di calore. Ha deciso di effettuare esperimenti per misurare la quantità. Ha adattato la macchina noioso per produrre ancora più calore con l'installazione di una sonda smussata che ha avuto una estremità sommersa in una giacca di acqua. Come il cannone rivolto contro la piralide, la temperatura dell'acqua è aumentata e, eventualmente, bollito. Più a lungo si annoia, il più calore è stato prodotto. SIMON SCHAFFER: Per Rumford, ciò che questo ha mostrato era che il calore deve essere una forma di movimento, e il calore non è una sostanza in quanto si potrebbe generare a tempo indeterminato grandi quantità di calore semplicemente ruotando il cannone. NARRATORE: Nonostante il conte Rumfords migliori sforzi, Lavoisiers teoria del calorico rimase dominante fino alla fine del 18 ° secolo. Il suo prestigio come chimico ha fatto sì che pochi osavano sfida le sue idee, ma questo non lo protegge dalle turbolenze rivoluzionaria in Francia, che era sul punto di interrompere la sua ricerca. Al culmine del Terrore, Lavoisier fu arrestato e, infine, ha perso la testa. SIMON SCHAFFER: Una volta fu ghigliottinato, la moglie ha lasciato la Francia e, infine, ha incontrato Rumford, quando si è trasferito in Europa occidentale nei primi anni del 1800. Rumford poi la sposò. Così hed sposò la vedova dell'uomo whod ha fondato la teoria che hed distrutto. NARRATORE: Il matrimonio fu di breve durata. Dopo un anno tormentato, Rumford lasciato madame Lavoisier e dedicò il resto della sua vita al suo primo amore, la scienza. Sarebbe quasi 50 anni prima Rumfords idea che la temperatura è semplicemente una misura del movimento delle particelle è stata accettata. Con il calore, la particles8212what che oggi conosciamo come atoms8212speed, e con il freddo, rallentano. dedizione Rumfords alla scienza lo ha portato a diventare uno dei fondatori della Royal Institution di Londra, e fu qui che il prossimo importante passo avanti nella conquista del freddo si sarebbe verificato. Michael Faraday, che in seguito è diventato famoso per il suo lavoro su elettricità e magnetismo, vorrebbe un primo passo fondamentale nella lunga discesa verso lo zero assoluto, quando gli è stato chiesto di indagare le proprietà del cloro utilizzando cristalli di cloro idrato. Questo esperimento è stato potenzialmente esplosiva, che è forse il motivo per cui è stato lasciato a Faraday8212and forse anche per questo che il Dr. Andrew Szydlo è curioso di ripeterlo oggi. ANDREW Szydło: Siamo in procinto di intraprendere un esperimento estremamente pericolosa in cui Michael Faraday, nel 1823, questa sostanza riscaldata qui, l'idrato di cloro, in un tubo sigillato. LAB assistente: Thats sigillato, Andrew. ANDREW Szydło: Questo è assolutamente geniale NARRATORE: Nell'esperimento originale, Faraday ha preso il tubo sigillato e riscaldato alla fine contenente l'idrato di cloro in acqua calda. Mise l'altra estremità in un bagno di ghiaccio. Ben presto si accorse gas di cloro giallo viene data fuori. ANDREW Szydło: Dato che il gas viene prodotto, pressioni costruire. Ray, è qui che inizia a diventare pericolosa, quindi se ora fare qualche passo indietro. NARRATORE: Quando Faraday ha fatto l'esperimento, un visitatore, il dottor Paris, è venuto a vedere che cosa stava combinando. Paris rilevare una materia oleosa sul fondo della provetta. Faraday era curioso, e ha deciso di rompere il tubo. ANDREW Szydło: Giusto, quindi consente di avere uno sguardo dentro qui. NARRATORE: L'esplosione ha mandato schegge di vetro volanti. Con il rilascio improvviso di pressione, il liquido oleoso scomparve. ANDREW Szydło: E ci siamo. LAB assistente: E 'questo quello che è successo ANDREW Szydło: Sì, questo è esattamente quello che è successo. Si aprì, vetro volato, e. si può rilevare il forte odore di cloro LAB assistente: ora posso. ANDREW Szydło: Assolutamente. Beh, ha constatato il forte odore di cloro e questo, questo è stato un grande mistero per lui. NARRATORE: Faraday presto si rese conto l'aumento della pressione all'interno del tubo sigillato aveva causato il gas per liquefare. E quando il tubo è rotto, il liquido evaporato, come calore deve essere applicato per evaporare l'acqua. Ha visto che l'energia dall'aria circostante era trasformato cloro liquido in un gas. In una deduzione brillante, Faraday capito che assorbendo calore dall'aria, aveva raffreddato o refrigerate, i dintorni. Michael Faraday aveva prodotto freddo. In seguito ha usato la stessa tecnica con ammoniaca, che assorbe ancora più calore. Ha predetto che un giorno questo raffreddamento potrebbe essere commercialmente utile. Faraday ha alcun interesse per lo sfruttamento commerciale, ma al di là dell'Atlantico, un imprenditore Yankee aveva una filosofia molto diversa. Frederick Tudor ha avuto una conversazione casuale con il fratello che lo ha portato su un percorso per diventare uno degli uomini più ricchi d'America. DENNIS PICARD (Storrowton Museo): La storia continua: a tavola, che stavano cercando di decidere quello che avevano sul loro padri fattoria potevano fare soldi fuori di. E certamente c'era un sacco, un sacco di rocce, ma la gente werent andando a pagare per questo. Così si avvicinò con l'idea di forse ghiaccio, perché alcune delle aree non ha avuto il ghiaccio. E sembrava sorta di folle in un primo momento, ma questo ha pagato. NARRATORE: Quando Tudor ha cominciato la raccolta di ghiaccio da stagni New England, ben presto si rese conto che aveva bisogno di strumenti specializzati per tenere il passo con l'enorme domanda. DENNIS PICARD: Abbiamo avuto le seghe, e le seghe erano un miglioramento rispetto ai vecchi seghe legno. Hanno denti che sono affilati su entrambi i lati e impostati in modo che taglia sia sul piano e la corsa verso il basso. Un equipaggio potrebbe cancellare uno stagno tre acri facilmente in un paio di giorni. Narratore: Tudors sogno di fare il ghiaccio a disposizione di tutti, non si limitava a New England. Voleva spedire ghiaccio per parti calde del mondo, come i Caraibi e il profondo sud. DENNIS PICARD: Quando Tudor ha tentato prima di convincere comandanti di mettere il suo carico di acqua congelata nelle navi, tutti rifiutato perché gli hanno detto che l'acqua appartiene al di fuori dello scafo non all'interno. Così ha dovuto andare a trovare altri investitori per ottenere i soldi per comprare la propria nave. E ha comprato una nave da parte il nome del preferito. NARRATORE: New England è diventato il frigorifero per il mondo, con le spedizioni di ghiaccio ai Caraibi, la costa del Sud America e in Europa. Tudor ha raggiunto anche l'India e la Cina. Guardando i tagliatori di ghiaccio di lavoro Walden Pond, Henry Thoreau si meravigliò che l'acqua dalla sua spiaggia balneare era in viaggio a metà strada intorno al globo per finire nella tazza di un filosofo indiano orientale. Tudor, che ben presto divenne noto come il re del ghiaccio, ha iniziato ad usare i cavalli e grandi squadre di operai per raccogliere i laghi più grandi, come la richiesta di ghiaccio è cresciuta. Durante la seconda metà del 19 ° secolo, l'industria del ghiaccio eventualmente impiegato decine di migliaia di persone. DENNIS PICARD: Tudor è diventato il più grande distributore di ghiaccio, ed è diventato uno dei primi miliardari americani. E stavano parlando di una delle sue navi che vanno ai Caraibi dandogli un utile di 6.000. Ora, questo è in un periodo di tempo in cui le persone guadagnano da 200 a 300 di media year8212the family8212so qualcuno guadagnare migliaia di dollari era inconcepibile. E questo sarebbe perdendo il 20 per cento del ghiaccio quando sia arrivato lì. C'era ancora enormi quantità di profitto. Narratore: successo Tudors è basata su una straordinaria proprietà fisica di ghiaccio. Si impiegano la stessa quantità di calore per fondere un blocco di ghiaccio come fa per riscaldare una quantità equivalente di acqua a circa 80 gradi Celsius. Questo significava che il ghiaccio ha impiegato molto tempo a sciogliersi, anche se spediti a climi più caldi. Quello che era iniziato come una piccola impresa di famiglia trasformata in un business globale. Frederick Tudor aveva industrializzato freddo allo stesso modo dei grandi pionieri del vapore avevano sfruttato il calore. Entro il 1830, la rivoluzione industriale era in pieno svolgimento. Eppure, ironia della sorte, non è stato fino a quando un piccolo gruppo di scienziati elaborato i principi alla base di come i motori a vapore convertire il calore in moto che il prossimo passo nella conquista del freddo potrebbe essere fatto. Solo dopo aver risolto questo enigma dei motori termici, potrebbero i primi motori freddi essere fatte per produrre refrigerazione artificiale. SIMON SCHAFFER: Quanto lavoro utile si può uscire da una data quantità di calore da parte del inizi del 1800, che era diventato il più importante problema economico unico in Europa. Per realizzare un profitto è stato quello di convertire il calore in moto in modo efficace, senza sprecare il calore e ottenere la massima quantità di effetto meccanico. NARRATORE: La prima persona a impegnarsi veramente con questo problema era un giovane ingegnere artiglieria francese, Sadi Carnot. Pensava che migliorare l'efficienza dei motori a vapore potrebbe aiutare Frances economia segnalazione dopo la sconfitta a Waterloo nel 1815. Lavorare al Conservatoire des Arts et Meacutetiers ha cominciato a analizzare come un motore a vapore è stato in grado di trasformare il calore in lavoro meccanico. SIMON SCHAFFER: In motori a vapore, sembra che il calore scorre intorno al motore e, mentre scorre, il motore funziona meccanica. L'implicazione è che il calore non è né consumato né distrutta, è sufficiente circolare intorno e funziona. NARRATORE: Carnot paragonato questo flusso di calore al flusso d'acqua su una ruota idraulica. Ha visto che la quantità di lavoro meccanico prodotto dipendeva da quanto l'acqua caduta. Il suo romanzo idea era che i motori a vapore ha lavorato in modo simile, ma questa caduta è stata una diminuzione di temperatura dal più caldo per la parte più fredda del motore. Maggiore è la differenza di temperatura, più lavoro è stato prodotto. Carnot distillato queste idee profonde in un libro accessibile per i lettori generali, il che significa che è stato in gran parte ignorato dagli scienziati invece di essere annunciato come un classico. Robert Fox: Beh, questo è il libro. Le sue Carnots unica pubblicazione, Riflessioni sulla forza motrice del Fuoco del 1824. un piccolo libro, solo 118 pagine, pubblicato solo 600 copie, e in vita sua praticamente sconosciuto. Venti anni dopo la pubblicazione, William Thomson, il fisico scozzese, è assolutamente intenti a trovare una copia. Hes qui a Parigi, ei conti che abbiamo suggeriscono che trascorre una grande quantità di tempo a visitare negozi di libri, visitando le Bookinistes sulle rive della Senna, alla ricerca, sempre a chiedere per il libro. E i librai gli dicono theyve mai nemmeno sentito parlare. NARRATORE: Allora, William Thomson, che sarebbe poi diventato Lord Kelvin, un gigante in questo nuovo campo della termodinamica, è stato colpito da Carnots idea che il movimento del calore prodotto lavoro utile nella macchina. Ma quando tornò a casa, ha sentito parlare di una teoria alternativa da un produttore di birra di Manchester chiamato James Joule. HASOK CHANG: Joule ha avuto questa idea che Carnot era sbagliato, che non era il calore che producono lavoro solo con il suo movimento, il calore è stato effettivamente trasformando in lavoro meccanico, che, che è una strana idea quando ci pensate. Sono stati tutti ora utilizzato per pensare l'energia e come può prendere tutte le forme diverse, ma era un'idea rivoluzionaria che il calore e qualcosa come energia meccanica erano, in fondo, lo stesso genere di cose. NARRATORE: L'esperimento che ha convinto Joule di questo è stato istituito nella cantina della sua fabbrica di birra. E 'convertito movimento meccanico in calore, quasi come un motore a vapore in senso inverso. He used falling weights to drive paddles around the drum of water. The friction from this process generated a minute amount of heat. Only brewers had thermometers accurate enough to register this tiny temperature increase caused by a measured amount of mechanical work. SIMON SCHAFFER: Joules work mattered because it was the first time that anyone had convincingly measured the exchange rate between movement and heat. He proved the existence of something that converts between heat and motion8212that something was going to be called energy 8212and its for that reason that the basic unit of energy in the new international system of units is named after him, the Joule. NARRATOR: Joule and Carnots ideas were combined by Thomson to produce what would later become known as the Laws of Thermodynamics. The first law, from Joules work, states that energy can be converted from one form to another but can never be created or destroyed. The second law, from Carnots theory, states that heat flows in one direction only, from hot to cold. In the second half of the 19th century, this new understanding paved the way for steam power to artificially produce ice. Ice-making machines, like this one, were based on principles discovered by Michael Faraday, who showed that when ammonia changes from a liquid to a gas, it absorbs heat from its surroundings. Its part of what is now known as a refrigeration cycle. In the first stage of this cycle, gigantic pistons compress ammonia gas into a hot liquid. The hot liquefied ammonia is pumped into condenser coils, where its cooled and fed into pipes beneath giant water tanks. Then the pressure is released, liquid ammonia evaporates, absorbing heat from the surrounding water. Gradually the tanks of water become blocks of ice. By the 1880s, many towns across America had ice plants like this one, which could produce 150 tons of ice a day. For the first time, artificially produced ice was threatening the natural ice trade created by Frederick Tudor. Americas appetite for ice was insatiable. Slaughter houses, breweries and food warehouses all needed ice. Animals were disassembled on production lines in Chicago and the meat was loaded into ice-cooled box cars to be shipped by railroad. OLD NEWSREEL: . livestock, on its way to the great meat packing centers of the nation, to markets everywhere food of every sort, safely and quickly delivered in refrigerator cars. NARRATOR: As fruit and vegetables became available out of season, urban diets improved, making city dwellers the best fed people in the world. And to keep everything fresh at home, the ice man made his weekly delivery to re-charge the refrigerator. TOM SHACHTMAN (Author, Absolute Zero ) : Refrigeration makes a tremendous difference to peoples lives, first of all, in their diet, what it is possible for them to eat. They can go to the store once a week they dont have to go every day. They can obtain, at that store, foods that are from almost anywhere in the world, that have been transported and kept cool, and then they can keep them in their own home. NARRATOR: Eventually the ice man disappeared, as more and more households bought electric refrigerators. These used the same basic principles as the old ice making machines: liquid ammonia circulating in pipes evaporates, draining the heat away from the food inside. Compressed by an electric pump, the gas is condensed back into liquid ammonia and the cycle begins again. TOM SHACHTMAN: The electric power companies loved refrigerators because they ran all day and all night. They may not have used that much power for each hour but they continued to use that, so one of the ways that they sold rural electrification was the possibility of having your own refrigerator. NARRATOR: In the early days, the freezer was used to freeze water, nothing else. Freezing was seen as having the same damaging effects as frost. The man who would change this idea forever was a scientist and explorer called Clarence Birdseye. In 1912, Birdseye set off on an expedition to Labrador, and the temperature dropped to 40 degrees below freezing. The Inuit had taught Birdseye how to ice fish by cutting a hole in the ice several feet thick. When he caught a fish, he found it froze almost as soon as it hit the air. This process seemed to preserve the fish in a unique way. TOM SHACHTMAN: When you went to cook this fish, it tasted just as good if it was fresh, and he couldnt figure that out, because when he froze fish at home they would taste terrible. So when he got back home he finally tried to figure out what was the difference between the quick freezing and the usual freezing. NARRATOR: Under closer examination, he could see what was happening to the fish cells. With slow freezing, large ice crystals formed which distorted and ruptured the cells. When thawed, the tissue collapsed and all the nutrients and flavor washed away, the so-called mushy strawberry syndrome. But with fast freezing, only tiny ice crystals were formed inside the cells, and these caused little damage. It was all down to the speed of the freezing process, a simple concept, but it took Clarence Birdseye another 10 years to perfect a commercial fast-freezing technique that would mimic the natural process hed experienced in Labrador. In 1924, he opened a flash-freezing plant in Gloucester, Massachusetts, that froze freshly-landed fish at minus-45 degrees. TOM SHACHTMAN: He then extended that to all sorts of other kinds of meats and produce and vegetables and, almost single-handedly, invented the frozen food industry. NARRATOR: Refrigerators and freezers would eventually become icons of modern living. But there was a less visible cold transformation happening at the same time. This would also have a huge impact on urban life: the cooling of the air itself. Three centuries had passed since Cornelius Drebbel had shaken King James in Westminster. Now, at the dawn of the 20th century, air cooling was about to shake the world. FIRST MAN IN CAR (Old television commercial): Tell me, what is the lowdown on this air conditioning thing SECOND MAN IN CAR (Old television commercial): Now youve started something by asking me that. NARRATOR: Air conditioning was about to transform modern life. And the person responsible was Willis Carrier, who started off working for a company that made fans. MARSHA ACKERMANN (Author, Cool Comfort ) : Carrier is sent to Brooklyn for a very special job in 1902. The company that publishes the magazine Judge . one of the most popular full color magazines in America at this particular time, is having a huge problem. Its July in Brooklyn and the ink for which they. which they use on their beautiful covers is sliding off the pages. It will not stick because the humidity is too high. Carrier, using some principles that hes been developing as a young, new employee of this fan company, finds a way to get out the July, 1902, run of the Judge magazine, and from there he begins to eventually build his air conditioning empire. NARRATOR: Its based on a simple principle. VOICE (Old television commercial) : Control of humidity through control of temperature, that was Willis Carriers idea. NARRATOR: He used refrigeration to cool the water vapor in the humid air. The vapor condensed into droplets, leaving the air dry and cool. The demand for air conditioning gradually grew. In the 1920s movie houses were among the first to promote the benefits. People would flock there in summer to escape the heat. MARSHA ACKERMANN: The movies are wildly popular, and the air conditioning certainly helps to attract an audience, especially if they happen to be walking down the street on a horribly hot day, and they duck into this movie theatre and have this wonderful experience. NARRATOR: Air conditioning became increasingly common in the workplace, too, particularly in the South, where textile and tobacco factories were almost unbearable without cooling. VOICE (Archival Industrial film) : When employees breathe good air and feel comfortable, they work faster and do a better job. RAYMOND ARSENAULT (University of Southern Florida) : I think some people think that these were nice, you know, compassionate employers who were cooling down the workplace for the workers, but of course nothing could be further from the truth. That was an inadvertent by-product, but, actually, this was a, a quality control device to control the breaking of fibers in cotton mills, to get consistent, you know, quality control in these various industries, to control the dust that had bedevilled tobacco stemming room workers for decades. I think the workers, obviously, went home and8212to their un-air-conditioned shacks in most cases8212and talked about how nice and cool it was, working during the day. VOICE (Old television commercial) : Its silly to suffer from the heat when you can afford the modest cost of air conditioning. NARRATOR: By the 1950s, people were air conditioning their homes with stand-alone window units that could be easily installed. This wasnt just an appliance, it offered a new, cool way of life. RAYMOND ARSENAULT: Walking down a typical Southern street prior to the air conditioning revolution, you would have seen families, individuals, outside. They would have been on their porches, on each others porches. There was a visiting tradition, a real sense of community. Well, I think all that changes with air conditioning. And you walk down that same street, and, basically, what youll hear are not the voices of people talking on the porch, youll hear the whir of the compressors. VOICE (Old television commercial) : Guess what weve got An RCA room air conditioner. Im a woman, and I know how much pure air means to mother in keeping our rooms clean and free from dust and dirt. NARRATOR: Control of the cold has transformed city life. Refrigeration helped cities expand outwards by enabling large numbers of people to live at great distances from their source of food. Air conditioning enabled cities to expand upwards. Beyond 20 stories, high winds make open windows impractical, but, with air conditioning, 100-story skyscrapers were possible. SIMON SCHAFFER: Technologies emerged which not only worked to insulate human society against the evils of cold, but turned cold into a productive, manageable, effective resource8212on the one hand, the steam engine, on the other the refrigerator8212those two great symbols of 19th century world which completely changed the society and economy of the planet. All that is part of, I think, what we could call bringing cold to market, turning it from an evil agent that you feared into a force of nature from which you could profit. NARRATOR: The explosive growth of the modern world over the last two centuries owes much to the conquest of cold, but this was only the beginning of the journey down the temperature scale. Going lower would be even harder, but would produce greater wonders that promise extraordinary innovations for the future. With rival scientists racing towards the final frontier, the pace quickens and the molecular dance slows, as they approach the holy grail of cold: absolute zero. On NOVAs Absolute Zero Web site, enter a virtual lab and see how close you can get to absolute zero. Make your own temperature scale and more. Find it on PBS. org. The conquest of conquest of cold continues. The quest to reach absolute zero opens up a new quantum world of possibilities. ALLAN GRIFFIN (University of Toronto) : The magnetic field repels the superconductor. SETH LLOYD (Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering) : Why build quantum computers We actually can take atoms and, if we ask them nicely, theyll compute. NARRATOR: How low can we go And what will we find there ALLAN GRIFFIN: This is really one of the great phenomena in 20th century physics. NARRATOR: The Race for Absolute Zero . next time on NOVA. Major funding for NOVA is provided by David H. Koch. And. Discover new knowledge: HHMI. Major funding for Absolute Zero is provided by the National Science Foundation, where discoveries begin. Additional funding is provided the Alfred P. Sloan Foundation, to portray the lives of men and women engaged in scientific and technological pursuit. Major funding for NOVA is also provided by the Corporation for Public Broadcasting and PBS viewers like you. Grazie. To order this NOVA program, for 24.95 plus shipping and handling, call WGBH Boston Video at 1-800-255-9424. NOVA is a production of WGBH Boston. NARRATOR: The greatest triumph of civilization is often seen as our mastery of heat, yet our conquest of cold is an equally epic journey, from dark beginnings to an ultracool frontier. In the last 100 years, cold has transformed the way we live and work. Imagine supermarkets without refrigeration or frozen food, skyscrapers without air conditioning, hospitals without MRI machines or liquid oxygen. We take for granted the technology of cold, yet it has enabled us to explore outer space and the inner depths of our brain. And, as we develop new, ultracold technology to create quantum computers and high speed networks, it will change the way we work and interact. By the late 19th century, the ultimate extreme of cold had a number, minus-273 degrees Celsius, and a name, absolute zero: a frontier so enticing that rival physicists from all over Europe began a race towards this absolute limit of cold. It was a high-stakes pursuit, one that continues, even now, as we explore a strange quantum world where fluids appear to defy gravity and electricity flows freely without resistance. The Race for Absolute Zero . up next, on NOVA. Major funding for NOVA is provided by David H. Koch. And. Discover new knowledge: HHMI. Major funding for Absolute Zero is provided by the National Science Foundation, where discoveries begin. Additional funding is provided the Alfred P. Sloan Foundation, to portray the lives of men and women engaged in scientific and technological pursuit. Major funding for NOVA is also provided by the Corporation for Public Broadcasting and PBS viewers like you. Grazie. NARRATOR: A century ago, Antarctic explorers were pushing further and further towards the coldest place on Earth, the South Pole, where temperatures can plummet to minus-80 degrees. The competition to reach this goal was matched by a less publicized, but equally daunting, scientific endeavor: the attempt to reach the coldest point in the universe, absolute zero. Was it possible to attain this ultimate limit of temperature, minus-273 degrees Celsius Only in a laboratory, by liquefying gases, could scientific adventurers take the first steps towards this holy grail, a place where atoms come to a virtual standstill, utterly drained of all thermal energy. Among the frontrunners in the race towards absolute zero was James Dewar, a professor at the Royal Institution in London. JAMES DEWAR (Royal Institution in LondonDramatization) : It will be the greatest achievement of our age. NARRATOR: In 1891, he gave one of his celebrated Friday night public lectures on the wonders of the supercold, to celebrate the centenary of his great predecessor, Michael Faraday. JAMES DEWAR (Dramatization) : The descent to a temperature within five degrees of zero would open up new vistas of scientific inquiry, which would add immensely to our knowledge of the properties of matter. SIMON SCHAFFER (University of Cambridge) : James Dewar is a canny and, I think, very ambitious, practically-minded Scottish scientist. He could really show both his colleagues and the fee-paying audiences some of the secrets of nature. JAMES DEWAR (Dramatization) : Take this rubber ball. It bounces well, I think youll agree. But lets see what happens after a few seconds immersion in liquid oxygen. NARRATOR: Dewar invented a thermal insulated container to carry out his research, and scientists, to this day, still call it a Dewar flask. JAMES DEWAR (Dramatization) : Now, lets see what happens. KOSTAS GAVROGLU (University of Athens) : This phantasmagoric aspect of science always helped science to be accepted by the public. Though it is a little mystifying, it did play a role of having society, having the public accept that these weird people in the laboratories are doing truly interesting, if not magical, things. NARRATOR: Dewars dream was to take on the mantle of the Royal Institutions greatest scientist, Michael Faraday. Seventy years earlier, Faraday had done experiments showing that under pressure, gases like chlorine and ammonia liquefy. He was curious to see if this method of pressurizing gases into liquids could be used for all gases. But some, what he called the permanent gases8212oxygen, nitrogen, hydrogen8212would not liquefy, no matter how much pressure he applied, so he abandoned this line of research. JAMES DEWAR (Dramatization) : Faradays was a mind full of subtle powers, of divination into natures secrets. And although unable to liquefy the permanent gases, he expressed faith in the potentialities of experimental inquiry. The lowest point of temperature attained by Faraday was minus-130 degrees centigrade. NARRATOR: It was not until 1873 that a Dutch theoretical physicist, van der Waals, finally explained why these gases were not liquefying. By estimating the size of molecules and the forces between them, he showed that to liquefy these gases using pressure, they each had to be cooled below a critical temperature. At last, he had shown the way to liquefy the so-called permanent gases was to cool them. Oxygen was first, and then nitrogen, reaching a new low temperature of almost minus-200 degrees centigrade. JAMES DEWAR (Dramatization) : Only the last of the permanent gases remains to be liquefied: hydrogen. In the vicinity of minus-250 degrees centigrade, it will be the greatest achievement of our age, a triumph of science. NARRATOR: Dewar was determined to be the first to ascend what he called Mount Hydrogen. But he was not alone. The competitor Dewar feared most was a brilliant Dutchman, Heike Kamerlingh Onnes. SIMON SCHAFFER: Kamerlingh Onnes was younger than Dewar and, to a certain extent, looked up to the Scotsman as his senior. Dewar didnt have the same, if youll pardon the expression, warm feelings towards his rival in the race for cold. NARRATOR: Dewar recognized that Kamerlingh Onnes had a new radical approach to science and was planning an industrial-scale lab. DIRK VAN DELFT (Boerhaave Museum) : When Onnes took over the physics laboratory in Leiden, he was only 29 years old. And, well, he gave his inaugural address here in this lecture room, the big lecture room of the Academy building of Leiden University, and it was all there. He was explaining what to do in the next years, and he was talking about liquefying gases, making Dutch physics famous abroad. And, well, it was amazing how farsighted all those visions were. NARRATOR: Kamerlingh Onness lab was more like a factory. He recruited instrument makers, glassblowers and a cadre of young assistants who became known as blue boys because of their blue lab coats. Later he set up a technical training school which still exists to this day. Dewar and Onnes could not have been more different. Dewar was very secretive about his work, hiding crucial parts of apparatus from public view before his lectures. Onnes on the other hand, openly shared his labs steady progress, in a monthly journal. Onnes was the tortoise to Dewars hare. KOSTAS GAVROGLU: In the case of Dewar, you had a brilliant experimenter, a person who could actually build the instruments himself and a person who really believed in the brute force approach. And that is: have your instruments, set up your experiment and try as hard as you can, and then youll get the result you want to get. In the case of Kamerlingh Onnes, you have a totally different approach. Hes the beginning of what later on was known as big science. NARRATOR: Unlike Dewar, Onnes thought detailed calculations based on theory were vital, before embarking on experiments. He was a disciple and close friend of van der Waals, whose theory had helped solve the problem of liquefying permanent gases. Though their approaches were different, Kamerlingh Onnes and Dewar used a similar process in their attempts to liquefy hydrogen. Their idea was to go step by step, down a cascade, using a series of different gases that liquefy at lower and lower temperatures. By applying pressure on the first gas, and releasing it into a cooling coil submerged in a coolant, it liquefies. When this liquefied gas enters the next vessel, it becomes the coolant for the second gas in the chain. When the next gas is pressurized and passes through the inner coil, it liquefies and is at an even lower temperature. The second liquid goes on to cool the next gas and so on. Step by step, the liquefied gases become colder and colder. Each one is used to lower the temperature of the next gas sufficiently for it to liquefy. In the final stage, where hydrogen gas is cooled, the idea was to put it under enormous pressure, 180 times atmospheric pressure, and then suddenly release it through a valve. This would trigger a massive drop in temperature, sufficient to turn hydrogen gas into liquid hydrogen at minus-252 degrees, just 21 degrees above absolute zero. SIMON SCHAFFER: Here was the risky bit, because his apparatus was going down in temperature, getting very, very cold, so very fragile, quite easy to fracture, while at the same time the pressures he was working at were very, very high, so the possibility of explosion. He took the most amazing risks. Both with himself8212he was a lion of a man in terms of courage8212and with those around him. All the equipment he was working with could have crumbled or blown up and, more than occasionally, it did. NARRATOR: Dewar had many explosions in his lab. Several times assistants lost an eye as shards of glass catapulted through the air. KOSTAS GAVROGLU: He had a notebook. He actually writes, jots down many details of what happened in the apparatus, but not what happened to his assistants. So, somehow, you get the impression that apparatus is more important than the assistants. NARRATOR: Over in Leiden, Onnes was facing anxious city officials who were so worried about the risk of explosions that they ordered the lab to be shut down. Dewar wrote a letter of protest on behalf of Onnes, but the Leiden lab remained closed for two years. DIRK VAN DELFT: Though Onnes had to wait and to wait and to wait, Dewar was already starting his liquefying hydrogen. And Onnes had the apparatus to do so, too, but he just couldnt start so he had lost the battle before it was even begun. TOM SHACHTMAN (Author, Absolute Zero ) : The year is 1898, Dewar has been working on trying to liquefy hydrogen for more than 20 years, and hes finally ready to make the final assault on Mount Hydrogen. NARRATOR: By using liquid oxygen, they brought down the temperature of the hydrogen gas to minus-200 degrees Celsius. They increased the pressure til the vessels were almost bursting and then opened the last valve in the cascade. JAMES DEWAR (Dramatization) : Shortly after starting, the nozzle plugged, but it got free, by good luck, and, almost immediately, drops of liquid began to fall and soon accumulated 20 cubic centimeters. NARRATOR: Dewar had liquefied hydrogen, the last of the so-called permanent gases. To prove it, he took a small tube of liquid oxygen and plunged it into the new liquid. Instantly the liquid oxygen froze solid. Now he was convinced. He had produced the coldest liquid on Earth and had come closer to absolute zero than anyone else. TOM SHACHTMAN: Dewar thought that he had done the most amazing feat of science in the world, that he would be immediately celebrated for this and get whatever prizes there were available. And that didnt happen. SIMON SCHAFFER: I think, for Dewar, it was the ambition of a mountaineer. Youve climbed the highest mountain peak that you can see in the range around you, and just as you get to the top of the peak, theres an even higher mountain just beyond. NARRATOR: That new mountain was helium, a recently discovered inert gas that was originally thought only to exist on the Sun. Van der Waals theory predicted helium would liquefy at an even lower temperature than hydrogen, at around five degrees above absolute zero. Now all Dewar had to do was to obtain some. It should not have been difficult. The two chemists who had discovered the inert gases, Lord Rayleigh and William Ramsay, often worked together in the lab next door. Unfortunately, Dewar had made enemies of both of them by refusing to collaborate and belittling their achievements, so they had no desire to share their helium. TOM SHACHTMAN: Kamerlingh Onnes was faced with the same problem as Dewar, which was, where can I get a supply of helium gas And he actually asked Dewar to try and collaborate with him, too. And Dewar said, Im having such a problem getting the gas by myself, I cant possibly give you any. Id like to but I cant. NARRATOR: Eventually each found a supply. But Onness industrial approach paid dividends. After three years he had amassed enough helium gas to begin experiments. The tortoise was beginning to pull away from the hare. At the same time, Dewar was running out of resources. To make matters worse, a lab assistant turned a knob the wrong way, releasing a whole canister of helium into the air. For six months the lab couldnt do any work. KOSTAS GAVROGLU: At one point, Dewar writes to Kamerlingh Onnes telling him that he is not in the race anymore. He thinks that the problems for liquefying helium are such that hes not able to complete the job. JAMES DEWAR (Dramatization) : The battlefields of science are the centers of a perpetual warfare in which there is no hope of a final victory. To serve in the scientific army, to have shown the initiative, is enough to satisfy the legitimate ambition of every earnest student of nature. Grazie. NARRATOR: In the summer of 1908, Onnes summoned his chief assistant, Flim, from across the river. They were finally ready to try to liquefy helium. At 5:45 on the morning of July the 10 th. he assembled his team at the lab. They had rehearsed the drill many times before. Leiden was a small university town and the word quickly spread that this was the big day. It took until lunchtime to make sure the apparatus was purged of the last traces of air. By 3:00 in the afternoon, work was so intense that when his wife arrived with lunch he asked her to feed him so he didnt have to stop work. At 6:30 in the evening the temperature began to drop below that of liquid hydrogen. But then, it seemed to stick. TOM SHACHTMAN: Onnes doesnt know why this is. And a colleague comes in, and he suggests that that means maybe theyve actually succeeded and they dont even know it yet. So Onnes takes an electric-lamp-type thing, and he goes underneath the apparatus and looks, and, sure enough, there, in the vial, is this liquid, sitting there quietly. Its liquefied helium. NARRATOR: They had reached minus-268 degrees Celsius, just five degrees above absolute zero, and finally produced liquid helium. This monumental achievement eventually won Onnes the Nobel Prize. When James Dewar heard that he had lost the race to Kamerlingh Onnes, it reignited a festering resentment. Dewar berated his long suffering assistant, Lennox, for failing to provide enough helium. Only this time, Lennox had had enough. He walked out of the Royal Institution, vowing never to return until Dewar was dead. And he kept his word. For Dewar, it was the end of his low-temperature research. James Dewars dream of reaching absolute zero was over. Although he had won the first race to liquefy hydrogen, it never attracted the same accolades as liquefying helium. He abandoned low-temperature physics and moved on to investigate other phenomena, such as the science of soap bubbles. SIMON SCHAFFER: I think its really impressive how often scientists do seem to be driven by the spirit of competition, by the spirit of getting there first. But whats really fascinating about these races, the race for absolute zero, is that the goalposts move as youre playing the game. The race in science is not for a predetermined end, and once youre there the storys over, the curtain comes down. Thats not at all what its like. Rather, it turns out, you find things you didnt expect. Nature is cunning, as Einstein would have said. And she is constantly posing a new challenge, unanticipated by those people who start out on the race. NARRATOR: This is just what happened in Leiden, as Onness team began to investigate how materials conduct electricity at very low temperatures. They observed, in a sample of mercury, that at around four degrees above absolute zero, all resistance to the flow of electricity abruptly vanished. Onnes later invented a new word to describe this new phenomenon. He called it superconductivity. ALLAN GRIFFIN (University of Toronto) : We have a circular ring of permanent magnets which are producing a magnetic field. And now, when we put a superconducting puck over it and give it a little push, the magnetic field repels the superconductor. NARRATOR: The magnetic field from the track induces a current in the superconducting puck, which, in turn, creates an opposite magnetic field that makes the puck levitate. ALLAN GRIFFIN: It produces a magnetic field like a north pole against a north pole, and thats why you have the repulsion. NARRATOR: As the puck warms up, its superconducting properties vanish along with its magnetically-induced field. For decades after its discovery in 1911, the underlying cause of superconductivity remained a mystery. ALLAN GRIFFIN: Every major physicist, every major theoretical physicist, had his own theory of superconductivity. Everybody tried to solve it. But it was unsuccessful. NARRATOR: There were more surprises ahead. In the 1930s, another strange phenomenon was observed at even lower temperatures. This rapidly evaporating liquid helium cools until, at two degrees above absolute zero, a dramatic transformation takes place. ALLAN GRIFFIN: Suddenly you see that the bubbling stops and that the surface of the liquid helium is completely still. The temperature is actually being lowered even further now, but nothing in particular is happening. Well, this is really one of the great phenomena in 20th century physics. NARRATOR: The liquid helium had turned into a superfluid which displays some really odd properties. SCIENTIST (Archival Film): Here I have a beaker with an unglazed ceramic bottom of ultra-fine porosity. NARRATOR: Ordinarily this container with tiny pores can hold liquid helium. But the moment the helium turns superfluid, it leaks through. SCIENTIST (Archival Film): We call this kind of flow a superflow. NARRATOR: Superfluid helium can do things we might have believed impossible. It appears to defy gravity. A thin film can climb walls and escape its container. This is because a superfluid has zero viscosity. It can even produce a frictionless fountain, one that never stops flowing. Superfluidity and superconductivity were baffling concepts for scientists. New, radical theories were needed to explain them. In the 1920s, quantum theory was emerging as the best hope of understanding these strange phenomena. Its central idea was that atoms do not always behave like individual particles, sometimes they merge together and behave like waves. They can also be particles and waves at the same time. Even for great minds like Albert Einstein, this strange paradox was hard to accept. In 1925, a young Indian physicist, Satyendra Bose, sent Einstein a paper hed been unable to publish. Bose had attempted to apply the mathematics of how light particles behave to whole atoms. Einstein realized the importance of this concept and did some further calculations. He predicted that, on reaching extremely low temperatures, just a hair above absolute zero, it might be possible to produce a new state of matter that followed quantum rules. It would not be a solid or liquid or gas. It was given a name almost as strange as its properties, a Bose-Einstein condensate. For the next 70 years, people could only dream about making such a condensate, which has never been seen in nature. DANIEL KLEPPNER (Massachusetts Institute of Technology, Department of Physics) : Matter can exist in various states: atoms at high temperature always form gases if you cool the gas, it becomes a liquid if you cool the liquid, it becomes a solid. But, under certain circumstances, if you cool atoms far enough, to extremely low temperatures, they undergo a very strange transformation they undergo an identity crisis. So let me show you what I mean by an identity crisis. When you go to low temperatures, the quantum mechanical properties of the atoms become important. These are very strange, very unfamiliar to us, but, in fact, each one of these atoms starts to display wave-like properties. So instead of points, like that, you have little wave packets, like that, moving around. Its really difficult for me to explain just why that is, but thats the way it is. Now, as you go to very low temperatures, the size of these packets gets longer and longer and longer. And then suddenly, if you get them cold enough, they start overlapping. And when they overlap, the system behaves, not like individual particles, but particles which have lost their identity. They all think theyre everywhere. This little wave packet, over here, cant tell whether its this one, or that one, or that one, or that one, or that one, or that one. Its there and its there and its there. Theyre all in one great big quantum state. Theyre all overlapping, overlapping. Theyre all doing the same thing. And what theyre doing, to a good approximation, is theyre simply sitting at rest. This Bose-Einstein condensate is very difficult to imagine or to visualize. I could imagine what its like to be an atom, running around gaily, freely, bouncing into things, sometimes going fast, sometimes going slow. But in the Bose condensate, Im everywhere at once. Ive lost my identity. I dont know who I am anymore. Im at rest, and all the other atoms around are at rest. But theyre not other atoms around were all just one great big quantum system. Theres nothing else like that in physics and certainly not in human experience. So just to think about this causes me wonder and confusion. NARRATOR: Dan Kleppner and his M. I.T. colleague Tom Greytak began to try to make a Bose-Einstein condensate in hydrogen. DANIEL KLEPPNER: As we started out the search for Bose-Einstein condensation, our enthusiasm grew, because hydrogen seemed like such a wonderful atom to use. It had everything going for it: it had its light mass. That means that the atoms will condense at a higher temperature than other atoms would. The atoms interact with each other very, very weakly. All the signals seem to be pointing to the fact that hydrogen was the atom for getting to Bose-Einstein condensation. NARRATOR: Kleppners idea was to cool the hydrogen atoms by making use of their magnetic poles. He used a strong magnetic field to create a cluster of atoms in a cold trap. Unfortunately, sometimes one atom flipped another, which triggered a release of energy that raised the temperature. DANIEL KLEPPNER: It was a frustrating time for us, because our methods were so complicated we were having a hard time moving forward. NARRATOR: Now others decided to take up the challenge. Two physicists from M. I.T. met in Boulder, Colorado, and came up with a different approach to the problem. Rather than focusing on the lighter atoms of the periodic table, they hit upon the idea of using much heavier metallic atoms like rubidium and cesium. But would using these giants enable them to reach closer to absolute zero ERIC CORNELL (University of Colorado) : The idea in the field, in those days, was that the light things, like hydrogen and lithium, would be easier. And there are some good reasons for thinking that, but we had other ideas. CARL WEIMAN (University of Colorado) : Yeah, sort of gut intuition, in some sense. NARRATOR: Their plan was to use a laser beam to cool the atoms, a technique that had already been tried by physicists at M. I.T. Lasers are usually associated with making things hot, but if they are tuned to the same frequency as atoms traveling at a particular speed, lasers can cool them down. When the stream of light particles from the laser hits the selected atoms in the gas cloud, they slow down and become cold. Laser cooling was a new tool that had the potential to reduce the temperature of a gas to within a few millionths of a degree of absolute zero. But Cornell and Weiman were not the only ones excited by this prospect. A new scientist had arrived at M. I.T. WOLFGANG KETTERLE (Massachusetts Institute of Technology, Department of Physics) : It was in late 91 or early 92 that we had an idea, an idea how a different arrangement of laser beams would be able to cool atoms to higher density. And it worked. And this was really a trigger point. I will never forget the excitement in those groups, group meetings, when we discussed what will be next, because with higher density there are many things you can do. Could we now push to Bose-Einstein condensation Lets see. Well, lots of cables and electronics. NARRATOR: All the resources of Ketterles lab were redirected to make a condensate in sodium atoms. WOLFGANG KETTERLE: And right here, this is an atomic beam oven. What is wrapped in tin foil is a little vacuum chamber where we heat up metallic sodium so the metallic sodium melts and evaporates. And its ultimately the sodium vapor, the sodium atoms which we tried to Bose-Einstein condense. NARRATOR: M. I.T. Boulder and several other labs were chasing the same goal. It had echoes of the race to produce liquid helium almost a century earlier. ERIC CORNELL: As I tell my students today, anything worth doing is worth doing quickly, because science moves on, and were all mortal, and you want to do things. NARRATOR: While M. I.T. was installing its sophisticated lasers, Carl Weimans approach was, Small is beautiful. ERIC CORNELL: In some cases, he was ripping open old fax machines and taking out the little chip inside that made the laser. And showed that you could take these lasers and put them into a home-built piece of apparatus, stabilize the laser ltSgt and use them to do spectroscopy and laser cooling. CARL WEIMAN: This is actually our first, whats called a vapor cell optical trap. You can see its kind of this old cruddy thing pulled together glass where we could send laser beams in from all the different directions and have just a little bit of the atoms we wanted to cool. NARRATOR: As well as bombarding the atoms with lasers, they also trapped them in a strong magnetic field. ERIC CORNELL: We would try this sort of magnetic trap, that sort of magnetic trap, this sort of imaging, that sort of imaging, that sort of cooling. All those things we could do without building a whole new chamber each time. We tried, literally, four different magnetic traps in four years, instead of having a three - or four-year construction project for each one. NARRATOR: By being fast and flexible, the Boulder group hoped to beat their old lab at M. I.T. But M. I.T. had its own plans. WOLFGANG KETTERLE: There was a sense of competition, but it was what I would call friendly competition. I mean can you imagine two athletes, they are in the same training camps, they help each other, they even give tips to each other, but then, when it comes to the race, everybody wants to be the first. NARRATOR: The rival groups were both using magnetic trapping and lasers to cool their atoms. But for the final push towards absolute zero, to turn these atoms of gas into the quantum state Einstein had predicted, they needed one more cooling technique, evaporative cooling. ERIC CORNELL: Its just like with this coffee, the steam coming off of the coffee is the hottest of the coffee molecules escaping and carrying away more than their fair share of energy. In the case of the atoms, we keep the atoms in a sort of magnetic bowl, and we confine the atoms there. They zoom around inside the bowl, and then the hottest ones have enough energy to roll up the side of the bowl and fall over the edge, slop over the edge, taking away with them much more than their fair share of energy. And the atoms that remain have less and less energy, which means they move slower and slower and start to cluster near the bottom. And as that happens, we gradually lower the edges of the magnetic trap, and always so theres just a few atoms that can escape, until, finally, the remaining atoms cluster near the bottom of the bowl, huddled together. They get colder and colder and denser and denser, and eventually, in this way, evaporation forces the Bose-Einstein condensation to occur. NARRATOR: The race to produce a Bose-Einstein condensate was intensifying. WOLFGANG KETTERLE: At every major meeting Eric Cornell and I gave talks or talked to each other. We were keenly aware that we were both working towards the same goal. NARRATOR: In June, 1995, the Boulder group was working round the clock, knowing that M. I.T. and several other labs were also poised to produce the first condensate. An official visit from a government funding agency was the last thing they needed. ERIC CORNELL: We didnt want to close down the lab or clean up our lab or put up posters, we wanted to work very hard. So the senior dignitaries in the three piece suits, and so on, came into the lab, and we left the lights off, and everyone continued to work. And I made them keep their voices down and talked to them rather in a hurried way and then sort of shuffled them out the door. And they all had a slightly puzzled look on their face, because it probably had never happened to them before, in their history of being a visiting committee, that they were treated with as little, little pomp. And later, I actually met one of the guys, who said, I suspected something up. was up that day, because otherwise, you never would have dared to do that. NARRATOR: June the 5 th. 1995, turned out to be a big day in the history of physics. The Boulder group seemed to have made what Einstein had theorized 70 years before, a Bose-Einstein condensate. CARL WEIMAN: Our first reaction was, Wait, weve got to be careful here, you know We. lets think of all the different knobs we can turn, checks we can make and so on, to see if this really is Bose-Einstein condensation. ERIC CORNELL: A condensate is sort of like a vampire. If the sunlight even once falls on it, its dead. And so its realm is the realm of the dark. But we can take pictures of them, because we strobe the laser light really fast, and, even as the condensates dying, it casts a shadow, and the shadow is frozen in the film. NARRATOR: At a temperature of 170-billionth of a degree above absolute zero, Weiman and Cornell created a pure Bose-Einstein condensate in a gas cloud of just 3,000 atoms of rubidium, the first in the universe, as far as we know. ERIC CORNELL: One of the first things you need to understand about Bose-Einstein condensation is how very, very cold it is. Where we live, at room temperature, is far above absolute zero in the scale. Imagine that room temperature is represented by London, thousands of kilometers from here. Then on that scale, if we imagine right here where Im standing in Boulder is absolute zero, the coldest possible temperature, then how close are we to absolute zero If we think of London as being room temperature and right where I am is absolute zero, then Bose-Einstein condensation occurs just the thickness of this pencil lead away from absolute zero. NARRATOR: Within weeks of the Boulder groups success, Wolfgang Ketterle produced an even larger condensate from half a million sodium atoms slowed down to a virtual standstill, causing their wave functions to overlap, to produce an entirely new state of matter. It was something that could be seen with the naked eye. Cornell, Ketterle and Weiman shared the Nobel Prize for Physics in 2001. CARL WEIMAN: One of the things Nobel Prize means, and the ceremony means, is that everybody remembers Erics the person who forgot to bow to the king. ERIC CORNELL: There was a breakdown of protocol on my part. There was no excuse, because they actually drill us, so its more like a. we have a series of rehearsals practicing how to bow to the king, and I somehow managed to bollocks it up at the last possible moment. And I thought maybe, you know, Carl, who came after me, would do this, make the same mistake, and then no one would figure it out. But no, he was perfect. WOLFGANG KETTERLE: I heard about the Nobel Prize when I was woken up by a telephone call, which was at, I think, 5:30 in the morning. So you wake up, you go to the telephone and somebody tells you, Congratulations, you have won the Nobel Prize. Youre still tired, your brain is not fully functional, but you realize this is big. And what you feel is, you know, pride, pride for M. I.T. your collaborators, for yourself. Its wonderful to see that your work gets recognized and acknowledged in this way. NARRATOR: Like any great adventure, the pursuit of science offers no guarantee of success. But for the godfather of ultracold atoms, persistence eventually paid off. In 1998, after 20 years of struggling to obtain a condensate in hydrogen, Dan Kleppner finally succeeded. For a few fleeting moments, his dream came true. DANIEL KLEPPNER: Course we were delighted. And I think everyone was delighted, because wed been working on it for so long. Its kind of embarrassing to have this group which helped start the work and was working away there, fruitlessly, while everyone was enjoying success. When we got it, everyone was happy. WOLFGANG KETTERLE: To see that an effort, which lasted for 20 years, which took so much patience, frustration and tenacity, to see that succeed is just emotional, its liberating. I will never forget this standing ovation which Dan Kleppner received at the Varenna Summer School when he announced Bose-Einstein condensation in hydrogen. ALLAN GRIFFIN: Everybody just got up and gave. it was sort of like an opera where everybody just cheered and people were crying and. because everybody realized that they had, they had finished the race, but too late, and it wasnt going to work out. But in some sense they had really stimulated the whole field. So it was lt Agt very, very moving, very moving moment. NARRATOR: For the pioneers who had realized Einsteins dream and created condensates, it was the end of an extraordinary decade of physics. Now there was a new challenge: to work out what to do with them. At Harvard, a Danish scientist, Lene Hau, had the idea of using a condensate to slow down light. LENE VESTERGAARD HAU (Harvard University) : We all sense this you know, light is something that. nothing goes faster than light in vacuum. And if, somehow, we could use this system to get light down to, you know, to a human level. I thought that was just absolutely fascinating. NARRATOR: Lene Hau created a cigar-shaped Bose-Einstein condensate to carry out her experiment. She fired a light pulse into the cloud. The speed of light is around 186,000 miles per second, but when the pulse hits the condensate, it slows down to the speed of a bicycle. LENE VESTERGAARD HAU: So a light pulse might start out being one to two miles long in free space. It goes into our medium, and since the front edge enters first, that will slow down. The back end is still in free space. Thatll catch up, and thatll create that compression. And itll end up being compressed from one to two miles down to 0.001 micron or even smaller than that. You could say, Well, gee, its easy to stop light because I could just send a laser beam into a wall and I would stop it. Well, the problem is you lose the information because it turns into heat. You could never get that information back. In our case, when we stop it, the information is not lost because thats stored in the medium. And then we have time to revive it. The system has all the information to revive the light pulse and it can move on. NARRATOR: One day, ultracold atoms will probably be used to store and even process information. Even now, cold atoms are being turned into prototype quantum computers. SETH LLOYD (Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering) : As a quantum mechanic, I engineer atoms. To make a computer out of atoms, you have to somehow get atoms to register information and then to process it. Why build quantum computers Because theyre cool, its fun, and we can do it, right I mean we actually can take atoms and, if we ask them nicely, theyll compute. Thats a lot of fun. I mean have you ever talked to an atom recently And had it talk back Its great. NARRATOR: Unlike ordinary computers, where each decision is based around a bit of information and is either a zero or a one, in the quantum world, the rules change. SETH LLOYD: At first glance, a quantum computer looks almost exactly the same. But quantum mechanics is weird, its funky, okay Its weird. PETER SHOR (Massachusetts Institute of Technology, Department of Applied Mathematics) : When you do quantum computing, you want to make this weirdness work for you. SETH LLOYD: So, now lets look at our quantum bit, or Q bit. PETER SHOR: The Q bit can not only be a zero or a one, it can also both be a. SETH LLOYD: . zero and one at the same time. PETER SHOR: At the same time. SETH LLOYD: Its almost like a form of parallel computation, but in the parallel computer, one processor does this, one processor does that, so you have two processors doing this and that. In a quantum computer you have only one processor thats doing this and that at the same time. PETER SHOR: And if you look at the mini-worlds interpretation of a quantum computer, what happens is that your quantum computer is doing many, many computations all at the same time. NARRATOR: Today, computers are limited in the amount of information they can handle, by the heat and number of the circuits. Here, within a giant Dewar flask, lies a prototype quantum computer surrounded by its supercooled superconducting magnet. In the future, quantum computing could be used to predict incredibly complex quantum interactions, such as how a new drug acts on faulty biochemistry or to solve complex encryption problems, like decoding prime numbers that are the key to Internet credit card security. Already, supercooled quantum devices are mapping the magnetic activity of the brain. Often, the promised benefits from a scientific breakthrough take a long time to emerge. Many predicted that by this century, energy-saving superconducting power lines and maglev bullet trains would be crisscrossing the continents. Perhaps as world energy supplies decline, these technologies, once seen as too costly, will start to take off. This weird quantum world is part of a new frontier opened up by the descent towards absolute zero. Its been a remarkable journey for scientists, into unknown territories far beyond the narrow confines of earth. On the Kelvin temperature scale, which begins at absolute zero, the temperature of the Sun is around 5,000 Kelvin. At 1,000 Kelvin, metals melt. At 300, we reach what we think of as room temperature. Air liquefies at 100 Kelvin, hydrogen at 20, helium at four Kelvin. The deepest outer space is three degrees above absolute zero. But the descent doesnt stop there. With ultracold refrigerators, the decimal point shifts three places to a few thousandths of a degree. And laser cooling takes it down three more places to a millionth of a degree, the temperature of a Bose-Einstein condensate. With magnetic cooling, we shift four more decimal places until we reach the coldest recorded temperature in the universe, created at a lab in Helsinki: 100 pico-Kelvin or a 10th of a billionth of a degree above absolute zero. So will it ever be possible to go all the way, to reach the holy grail of cold, zero Kelvin SETH LLOYD: Getting to absolute zero is tough. Nobodys actually been there at absolute 0.000000, with an infinite number of zeros. That last little tiny bit of heat becomes harder and harder to get out. And, in particular, the timescales for getting it out get longer and longer and longer, the smaller and smaller the amounts of energy involved. So eventually, if youre talking about extracting an amount of energy thats sufficiently small, it would indeed take the age of the universe to do it. Also you, actually youd need an apparatus the size of the universe to do it, but thats another story. NARRATOR: Absolute zero may be unreachable, but by exploring further and further towards this ultimate destination of cold, the most fundamental secrets of matter have been revealed. If our past was defined by our mastery of heat, perhaps our future lies in the continuing conquest of cold. On NOVAs Absolute Zero Web site, enter a virtual lab and see how close you can get to absolute zero, make your own temperature scale and more. Find it on PBS. org. Major funding for NOVA is provided by David H. Koch. And. Discover new knowledge: HHMI. Major funding for Absolute Zero is provided by the National Science Foundation, where discoveries begin. Additional funding is provided the Alfred P. Sloan Foundation, to portray the lives of men and women engaged in scientific and technological pursuit. Major funding for NOVA is also provided by the Corporation for Public Broadcasting and PBS viewers like you. Grazie. To order this NOVA program, for 24.95 plus shipping and handling, call WGBH Boston Video at 1-800-255-9424. NOVA is a production of WGBH Boston. PRODUCTION CREDITS Produced amp Directed by David Dugan Co-Produced by Meredith Burch Written By Tom Shachtman Executive Producer for Absolute Zero Meredith Burch Based on the book Absolute Zero and the Conquest of Cold by Tom Shachtman Edited by Justin Badger Studio Reconstruction Director Ian Duncan Narrated by Neil Ross Principal Science Consultant Russell J. Donnelly, University of Oregon Assistant Producers Helen Grinstead David Briggs James Dewar Iain Agnew Heike Kammerlingh Onnes Henk Van Rooyen Johannes Van Der Waals Marinus Smit Camera Mike Coles Boyd Estus Bob Hanna Barry Hecht John Howarth Bob Perrin Mike Robinson Sound Recordists Rick Patterson Keith Rodgerson Steve Whitford Assistant Camera Richard Comrie Music Max De Wardener Graphics Fluid Pictures Production Designer Jamie Andrews Costume Designer Justin Selway Production Manager Jason Hendriksen Production Coordinator Adrian Kelly Production Administrator Kristina Obradovic Research Trainee Maurice OBrien Online Editor Jamie Shemeld Colorist Aidan Farrell Audio Mix Nick Fry Archive Research Polly Pettit Outreach Promotion Devillier Communications, Inc. Evaluaton Multimedia Research Goodman Research Group, Inc. Archival Material U. S. National Archives and Records Administration Metropolitan Museum of Art Uppsala University of Art Collections Getty Images Greenpark Productions Ltd. North East Historic Film BFI National Archive Thought Equity Motion Sveriges Television The Royal Society Film Archives Special Thanks The Royal Institution of Great Britain Massachusetts Institute of Technology Leiden University University of Lancaster JILA, The University of Colorado and The National Institute of Standards and Technology Harvard University Juan C. Vazquez University of Cambridge Yorktown Museum Ray Tribe, Chemglass Dennis D. Picard For Twin Cities Public Television Executive Producer Richard Hudson Coordinating Producer Ted Hinck Production Manager Jodi Langer Online Editor Ezra Gold Audio Mix Joe Demko Post Production Editor Neil Gjere NOVA Series Graphics yU co. NOVA Theme Music Walter Werzowa John Luker Musikvergnuegen, Inc. Additional NOVA Theme Music Ray Loring NOVA Administrator Ashley King Publicity Eileen Campion Lindsay de la Rigaudiere Kate Becker Researcher Gaia Remerowski Production Coordinator Linda Callahan Paralegal Raphael Nemes Talent Relations Scott Kardel, Esq. Janice Flood Legal Counsel Susan Rosen Assistant Editor Alex Kreuter Associate Producer, Post Production Patrick Carey Post Production Supervisor Regina OToole Post Production Editor Rebecca Nieto Post Production Manager Nathan Gunner Supervising Producer Stephen Sweigart Business Manager Joseph P. Tracy Producers, Special Projects Lisa Mirowitz David Condon Coordinating Producer Laurie Cahalane Senior Science Editor Evan Hadingham Senior Series Producer Melanie Wallace Managing Director Alan Ritsko Senior Executive Producer Paula S. Apsell Absolute Zero is a production of Windfall Films Ltd. and Meridian Productions for TPTTwin Cities Public Television and WGBHNOVA in association with the BBC copy 2007 Meridian Productions, Inc. and Windfall Films Ltd. This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. ESI-0307939. Any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the author(s) and do not necessarily reflect the views of the National Science Foundation. The two-hour program video is available to view online hereputational tools Analogously, DataFrame has a method cov to compute pairwise covariances among the series in the DataFrame, also excluding NAnull values. Supponendo che i dati mancanti sono mancanti in modo casuale questo si traduce in una stima per la matrice di covarianza che è imparziale. Tuttavia, per molte applicazioni questa stima non può essere accettabile, perché la matrice di covarianza stimato non è garantito per essere positivo semi-definita. Ciò potrebbe portare a correlazioni stimate aventi valori assoluti che sono maggiori di uno, Andor una matrice di covarianza non invertibile. Vedere stima di matrici di covarianza per maggiori dettagli. DataFrame. cov supporta anche una parola minperiods opzionali che specifica il numero minimo richiesto di osservazioni per ciascuna coppia di colonne per avere un risultato valido. I pesi utilizzati nella finestra sono specificati dalla parola chiave wintype. L'elenco dei tipi riconosciuti sono: Boxcar triang blackman hamming Bartlett parzen Bohman blackmanharris Nuttall barthann kaiser (ha bisogno di beta) gaussiana (ha bisogno di std) generalgaussian (ha bisogno di potenza, larghezza) Slepian (larghezza esigenze). Notare che la finestra vagone equivale a dire (). Per alcune funzioni a finestre, devono essere specificati ulteriori parametri: Per. sum () con un wintype. non c'è normalizzazione fatto per i pesi per la finestra. Passando pesi personalizzati di 1, 1, 1 darà un risultato diverso da quello che passa pesi di 2, 2, 2. per esempio. Quando si passa un wintype invece di specificare esplicitamente i pesi, i pesi sono già normalizzati in modo che il peso più grande è 1. Al contrario, la natura del calcolo. mean () è tale che i pesi sono normalizzati rispetto all'altro. Pesi di 1, 1, 1 e 2, 2, 2 producono lo stesso risultato. Time-consapevoli di rotolamento Nuovo nella versione 0.19.0. Nuovo nella versione 0.19.0 sono la capacità di passare un offset (o convertibili) a un metodo. rolling () e farla produrre finestre di dimensione variabile in base alla finestra temporale passato. Per ogni punto di tempo, questo include tutti i valori precedenti che si verificano all'interno del delta time indicato. Questo può essere particolarmente utile per un indice di frequenza tempo non regolare. Questo è un indice di frequenza regolare. Utilizzando un parametro window intero funziona a rotolare lungo la frequenza finestra. Specifica di un offset permette una specificazione più intuitiva della frequenza di laminazione. Utilizzando un indice non regolare, ma ancora monotona, a rotazione con una finestra intero non impartisce alcun calcolo speciale. Usando il tempo-specifica genera finestre variabili per questo dati sparsi. Inoltre, ora permettiamo un optional sul parametro per specificare una colonna (piuttosto che il default dell'indice) in una dataframe. Time-consapevoli di rotolamento contro ricampionamento Utilizzando. rolling () con un indice basato sul tempo è molto simile a ricampionamento. Entrambi operano ed eseguire operazioni riduttive su oggetti panda tempo indicizzato. Quando si utilizza. rolling () con un offset. L'offset è un tempo-delta. Prendere una finestra all'indietro in time guardare, e aggregare tutti i valori in quella finestra (incluso il punto finale, ma non lo start-punto). Questo è il nuovo valore in quel punto nel risultato. Questi sono finestre variabili dimensioni in spazio-tempo per ciascun punto di ingresso. Si otterrà un risultato stesso di dimensioni come ingresso. Quando si utilizza. resample () con un offset. Costruire un nuovo indice che è la frequenza di offset. Per ciascun bin di frequenza, punti aggregati dall'ingresso all'interno di una finestra all'indietro in time guardando che rientrano in tale bin. Il risultato di questa aggregazione è l'uscita per tale punto di frequenza. Le finestre sono fissati dimensione nello spazio di frequenza. Il risultato avrà la forma di una frequenza regolare tra il minimo ed il massimo dell'oggetto input originale. Riassumere. rotolamento () è un'operazione finestra temporale basata, mentre. resample () è un'operazione finestra di frequenze basata. Centraggio Windows di default le etichette sono impostate per il bordo destro della finestra, ma una parola chiave centro è disponibile in modo che le etichette possono essere impostati al centro. Funzioni Finestra Binary COV () e corr () in grado di calcolare lo spostamento statistiche delle finestre su due serie o qualsiasi combinazione di DataFrameSeries o DataFrameDataFrame. Qui è il comportamento in ogni caso: due serie. calcolare la statistica per l'abbinamento. DataFrameSeries. calcolare le statistiche per ogni colonna del dataframe con la Serie passato, restituendo così una dataframe. DataFrameDataFrame. Per impostazione predefinita, calcolare la statistica per la corrispondenza nomi delle colonne, restituendo un dataframe. Se viene passato l'argomento pairwiseTrue parola chiave quindi calcola la statistica per ogni coppia di colonne, restituendo un pannello i cui elementi sono le date in questione (vedere la sezione successiva). Calcolo rotolamento covarianze a coppie e le correlazioni in analisi dei dati finanziari e di altri settori it8217s comune per calcolare covarianza e correlazione matrici per una collezione di serie storiche. Spesso si è anche interessato a trasferirsi finestra covarianza e correlazione matrici. Questo può essere fatto passando l'argomento chiave a coppie, che nel caso di ingressi dataframe produrrà un pannello i cui elementi sono le date in questione. Nel caso di un singolo argomento dataframe l'argomento a coppie può anche essere omesso: i valori mancanti vengono ignorati ed ogni voce è calcolata utilizzando le osservazioni complete a coppie. Si prega di consultare la sezione di covarianza per avvertimenti associati a questo metodo di calcolo covarianza e correlazione matrici. Oltre a non avere un parametro window, queste funzioni hanno le stesse interfacce come le loro controparti. rolling. Come in precedenza, i parametri sono tutti accettano sono: minperiods. soglia di punti dati non nulli da richiedere. Il valore predefinito è minimo necessario per il calcolo statistico. No NaN verrà emesso una volta minperiods punti dati non nulli sono stati visti. centro. booleano, se impostare le etichette al centro (di default è False) L'uscita del. rolling e metodi. expanding non restituiscono un NaN se ci sono almeno minperiods valori non nulli nella finestra corrente. Questo differisce da cumSum. cumprod. cummax. e cumino. che restituiscono NaN nell'output laddove viene rilevato un NaN nell'input. Una espansione finestra statistica sarà più stabile (e meno reattivo) rispetto al suo omologo finestra di laminazione come la dimensione della finestra aumentando diminuisce l'impatto relativo di un singolo punto di dati. A titolo di esempio, qui è l'uscita media () per il precedente set di dati di serie storiche: ponderata esponenzialmente di Windows Un insieme correlato di funzioni sono esponenzialmente versioni di alcune delle statistiche di cui sopra ponderato. Una interfaccia simile a. rolling e. expanding si accede attraverso il metodo. ewm per ricevere un oggetto EWM. Un certo numero di EW espansione sono forniti (in modo esponenziale ponderati) metodi:
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