Single Moving Average Use Absolut Change

Bodenhorizont normalerweise unterhalb des O-Horizonts und oberhalb des B-Horizonts. Diese Schicht zeichnet sich durch folgende zwei Merkmale aus: (1) Eine Schicht, in der Humus und andere organische Materialien mit mineralischen Partikeln vermischt werden. (2) Eine Zone der Translokation, aus der die Eluviation feinere Partikel und lösliche Substanzen entfernt hat. Ein Luftkörper, dessen Temperatur - und Feuchtigkeitsmerkmale über einen horizontalen Abstand von Hunderten bis Tausenden von Kilometern relativ konstant bleiben. Luftmassen entwickeln ihre klimatischen Eigenschaften, indem sie über einen Quellenbereich für eine Anzahl von Tagen stationär bleiben. Luftmassen werden nach ihren Temperatur - und Feuchtigkeitsmerkmalen klassifiziert. Toxifizierung der Atmosphäre durch Zugabe von einem oder mehreren Schadstoffen in der Luft. Substanz muss in Konzentrationen hoch genug sein, um für Menschen, andere Tiere, Vegetation oder Materialien gefährlich zu sein. Siehe auch Primärschadstoff und Sekundärschadstoff. Mechanisches Instrument zur Messung der Windgeschwindigkeit. Diese Instrumente beschäftigen sich häufig mit drei Methoden, um dieses Phänomen zu messen: 1) Ein Gerät mit drei oder vier offenen Schalen, die an einer rotierenden Wirbelsäule befestigt sind. Die Drehzahl wird dann in eine Messung der Windgeschwindigkeit umgewandelt. 2) Eine Druckplatte, die die von dem bewegten Wind ausgeübte Kraft rechtwinklig misst 3) Ein Instrument, das aus einem beheizten Draht besteht, wo der elektrische Widerstand (Temperatur des Drahtes) ist Angepasst, um die durch den Luftstrom verloren gegangene Wärme zu berücksichtigen. Je schneller der Wind ist, desto größer ist der Wärmeverlust und damit desto mehr Energie, die benötigt wird, um den Draht auf einer konstanten Temperatur zu halten. Als Ergebnis wird die Windgeschwindigkeit durch den Abfluss des elektrischen Stroms gemessen. Barometer, das den atmosphärischen Druck über die Ausdehnung und Kontraktion einer abgedichteten Hohlzelle misst, die teilweise an der Luft abgereist ist. Gruppe von Gefäßpflanzen, die ihre Samen in einem reifen Eierstock oder Obst umhüllen. Angle of Incidence Angle, bei dem die Sonnenstrahlen oder Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche schlagen. Wenn die Sonne direkt über dem Kopf oder 90 ° vom Horizont positioniert ist, schlägt die ankommende Sonneneinstrahlung die Oberfläche der Erde im rechten Winkel und ist am intensivsten. Messungen, die häufig im Tiefbau verwendet werden. Es ist der maximale Winkel, bei dem ein Material ohne Ausfall geneigt werden kann. Geomorpologe benutzt diese Messung zur Bestimmung der Stabilität der Hangneigung zu Massenbewegungen. Organismen, die zum Königreich Animalia gehören. Allgemeine Merkmale dieser Organismen sind: eukaryotischer Zelltyp, Mitochondrien. Und ein komplexes Nervensystem. Diese Gruppe des Lebens schließt Organismen wie Schwämme, Quallen, Gliederfüßer (Insekten, Garnelen und Hummer), Mollusken (Schnecken, Muscheln, Austern und Tintenfische), Fische, Amphibien (Frösche, Kröten und Salamander), Reptilien (Schildkröten, Eidechsen) ein , Alligatoren, Krokodile, Schlangen), Vögel und Säugetiere (Kängurus, Fledermäuse, Katzen, Kaninchen, Elefanten, Wale, Schweinswale, Affen, Affen und Menschen). Gruppe, auf Reichsebene, in der Klassifikation des Lebens. Mehrzellige Organismen, die einen eukaryotischen Zelltyp haben, Mitochondrien. Und ein komplexes Nervensystem. Ein Ion, das eine negative Atomladung trägt. Pflanzenarten, die ihr Leben in einer Vegetationsperiode vervollständigen. Breitengrad von 66.5deg Süd. Die nördliche Grenze des Gebiets der Erde, die 24 Stunden der Dunkelheit oder 24 Stunden des Tages mindestens einen Tag während des Jahres erlebt. Eine Region des Hochdrucks, die die Zentralantarktik während des ganzen Jahres einnimmt. Dieses Drucksystem ist für sehr kalte Temperaturen und extrem niedrige Luftfeuchtigkeit verantwortlich. Ein atmosphärisches Drucksystem, das aus einer Fläche von Hochdruck und nach außen kreisförmiger Oberflächenwindung besteht. In der nördlichen Hemisphäre blasen die Winde von einem Antizyklon im Uhrzeigersinn, während die südlichen Hemisphären-Systeme gegen den Uhrzeigersinn blasen. Es ist der Punkt in der Erdumlaufbahn, wenn es am weitesten von der Sonne (152,5 Millionen Kilometer) ist. Aphelion findet am 3. oder 4. Juli statt. Angewandte physikalische Geographie Das Feld Angewandte Physische Geographie verwendet theoretische Informationen aus den verschiedenen Bereichen der Physischen Geographie, um Probleme im Zusammenhang mit Naturphänomenen, die in der realen Welt gefunden werden, zu bewältigen und zu lösen. Mit Bezug auf Wasser. Felsformationen, die für Grundwasser wasserundurchlässig sind. Aquifer Recharge Area Oberfläche, die Wasser für einen Aquifer bietet. Ist eine Gruppe von kürzlich entdeckten Organismen, die Bakterien ähneln. Allerdings sind diese Organismen biochemisch und genetisch sehr verschieden von Bakterien. Einige Arten der Domäne Archaea leben in den extremsten Umgebungen auf der Erde gefunden. Begriff verwendet, um Organismen zu beschreiben, die zur biologischen Domäne Archaea gehören. Geologisches eon, das von 2500 bis 3800 Millionen Jahren aufgetreten ist. Während dieser Zeit entwickelten sich die ersten Single-Celled-Prokaryontenorganismen. Eine Gruppe von Inseln, die eine bogenförmige Verteilung haben. Diese Inseln sind meist vulkanischen Ursprungs und sind mit Subduktionszonen verbunden. Area Studies Tradition Akademische Tradition in der modernen Geographie, die ein Gebiet auf der Erde aus einer geographischen Perspektive auf lokaler, regionaler oder globaler Ebene untersucht. Scharfe topographische Kante, die Cirques auf einem Berg trennt, der ist oder vergast wurde. Eine Art Sediment-Sandstein, der eine große Menge von verwitterten Feldspat-Körnern enthält. Diese Art von Sedimentgestein bildet sich in trockenen Bedingungen. Grundwasser, das von zwei undurchlässigen Schichten unterhalb der Erdoberfläche begrenzt ist. Ein Brunnen, wo das Wasser aufsteigt und durch hydrostatischen Druck zur Oberfläche fließt. Breitengrad von 66.5deg Nord. Die südliche Grenze der Fläche der Erde, die 24 Stunden der Dunkelheit oder 24 Stunden des Tages mindestens einen Tag während des Jahres erlebt. Jeder Prozeß der Reproduktion, der nicht die Verschmelzung von Gameten beinhaltet. (1) Absorption und Schaffung von Nahrungsressourcen. (2) Organische Stoffwechselprodukte der Lebensmittelverdauung. In der Regel die verschiedenen organischen Bestandteile des Organismus. Zone im Erdmantel, der plastische Eigenschaften aufweist. Unterhalb der Lithosphäre zwischen 100 und 200 Kilometer. Wissensgebiet, das die Natur, die Bewegung, den Ursprung und die Konstitution der Himmelskörper untersucht. Die Atmosphäre ist die riesige gasförmige Luftumhüllung, die die Erde umgibt. Seine Grenzen sind nicht leicht zu definieren. Die Atmosphäre enthält ein komplexes System von Gasen und suspendierten Partikeln, die sich in vielerlei Hinsicht wie Flüssigkeiten verhalten. Viele ihrer Bestandteile werden von der Erde durch chemische und biochemische Reaktionen abgeleitet. Gewicht der Atmosphäre auf einer Oberfläche. Auf Meereshöhe. Der durchschnittliche atmosphärische Druck beträgt 1013,25 Millibar. Der Druck wird durch ein als Barometer bezeichnetes Gerät gemessen. Relative Stabilität der Pakete der Luft in Bezug auf die Atmosphäre, die sie umgibt. Drei Bedingungen werden allgemein beschrieben: stabil. Instabil Und neutral Ein ringförmiges Riff, das weitgehend aus Korallen besteht. Diese Merkmale sind in den tropischen Gewässern des Pazifischen Ozeans sehr verbreitet. Kleinste Einheit eines Elements, das seine chemischen Eigenschaften noch beibehält. Energie, die aus einem Atomkern aufgrund einer Veränderung ihrer subatomaren Masse freigesetzt wird. Atomic Mass Number Mehrfarbige Lichter, die in der oberen Atmosphäre (Ionosphäre) über den Polargebieten erscheinen und von Orten in der mittleren und hohen Breiten sichtbar sind. Verursacht durch die Wechselwirkung von Sonnenwind mit Sauerstoff und Stickstoffgas in der Atmosphäre. Aurora in der nördlichen Hemisphäre heißen aurora borelis und aurora australis in der südlichen Hemisphäre. Nachfolge, wo die Pflanzengemeinschaft die Umwelt verändert, und diese Änderung treibt die Nachfolge an. Ein Organismus, der Nahrungsmittelmoleküle anorganisch produziert, indem er eine Lichtquelle oder chemisch basierte Quellen externer Energie verwendet. Dieser Organismus erfordert keine äußeren Quellen von Bio-Energie für das Überleben. Siehe auch chemische Autotrophs und photosynthetische Autotrophen. Einer von zwei Tagen während des Jahres, in dem die Deklination der Sonne am Äquator ist. Die herbstliche Tagundnachtgleiche bezeichnet den ersten Tag der Herbstsaison. Für die nördliche Hemisphäre, das Datum der herbstlichen Tagundnachtgleiche am 22. oder 23. September (ändert sich jährlich). 20. oder 21. März ist das Datum der herbstlichen Tagundnachtgleiche in der südlichen Hemisphäre. Während der herbstlichen Tagundnachtgleiche erleben alle Orte auf der Erde (mit Ausnahme der Pole) gleich (12 Stunden) Tag und Nacht. Teil des Kapillarwassers, das für die Pflanzenwurzelaufnahme zur Verfügung steht. Durchschnittlicher globaler TemperaturNARRATOR: Der größte Triumph der Zivilisation wird oft als unsere Beherrschung der Hitze gesehen, doch unsere Eroberung der Kälte ist eine ebenso epische Reise, von dunklen Anfängen bis hin zu einer ultrakurzen Grenze. Seit Jahrhunderten blieb kalt ein verwirrendes Geheimnis, ohne offensichtliche praktische Vorteile. Doch in den letzten 100 Jahren hat die Kälte die Art, wie wir leben und arbeiten, verwandelt. Stellen Sie sich vor, Supermärkte ohne Kühlung, Wolkenkratzer ohne Klimaanlage, Krankenhäuser ohne MRI-Maschinen und flüssigen Sauerstoff. Wir nehmen die Technik der Kälte selbstverständlich an, aber es hat uns ermöglicht, den Weltraum und die inneren Tiefen unseres Gehirns zu erforschen, und da wir neue Ultracold-Technologie entwickeln, um Quantencomputer und Hochgeschwindigkeitsnetze zu schaffen, wird es die Art und Weise ändern, wie wir arbeiten Und interagieren Wie haben wir ein bisschen als furchteinflößend angesehen, um zu untersuchen, wie sich Wissenschaftler und Träumer in den vergangenen vier Jahrhunderten tiefer und tiefer in die Temperaturskala stürzen, um die Kälte zu erobern und ihre endgültige Grenze zu erreichen, ein heiliger Gral, der so schwer wie die Geschwindigkeit ist Lichtgrenze Absolut Null. Nächstes auf NOVA. Die Hauptfinanzierung für NOVA wird von David H. Koch zur Verfügung gestellt. Und. Entdecken Sie neues Wissen: HHMI. Die Hauptfinanzierung für Absolute Zero wird von der National Science Foundation, wo Entdeckungen beginnen, zur Verfügung gestellt. Zusätzliche Finanzierung wird die Alfred P. Sloan Stiftung zur Verfügung gestellt, um das Leben von Männern und Frauen, die sich mit wissenschaftlichen und technologischen Verfolgung beschäftigen, darzustellen. Wichtige Finanzierung für NOVA wird auch von der Gesellschaft für Public Broadcasting und PBS Zuschauer wie Sie zur Verfügung gestellt. Vielen Dank. NARRATOR: Extreme Kälte hat immer einen besonderen Platz in unserer Phantasie gehalten. Seit Tausenden von Jahren schien es wie eine bösartige Kraft, die mit dem Tod und der Dunkelheit verbunden war. Kälte war ein unerklärliches Phänomen. War es eine Substanz, ein Prozess oder ein besonderer Zustand des Seins Zurück im 17. Jahrhundert wusste niemand, aber sie spürten sicherlich ihre Auswirkungen in den eisigen Londoner Wintern. SIMON SCHAFFER (Universität von Cambridge): Siebzehnten Jahrhundert England war in der Mitte von dem, was jetzt die kleine Eiszeit genannt wird. Es war fantastisch kalt nach modernen Maßstäben. Sie müssen sich vorstellen, eine Welt von Feuer beleuchtet, in dem die meisten Menschen kalt sind die meiste Zeit. Kälte hätte sich wie eine echte Anwesenheit gefühlt, eine Art positiver Agent, der beeinflusst, wie die Leute sich fühlten. NARRATOR: Damals fühlten sich die Menschen an der Gnade der Kälte. Dies war eine Zeit, in der solche Naturkräfte mit Ehrfurcht betrachtet wurden, als Taten von Gott, so dass jeder, der versucht, mit Kälte zu töten, dies auf seine Gefahr hatte. Der erste Versuch war ein Alchemist, Cornelius Drebbel. An einem heißen Sommertag, im Jahre 1620, kam König James der Erste und sein Gefolge, um ein überirdisches Ereignis zu erleben. Drebbel, der auch der Hofmagier war, hatte eine Wette mit dem König, dass er Sommer in den Winter verwandeln konnte. Er würde versuchen, die Luft im größten Innenraum auf den britischen Inseln, der Großen Halle von Westminster, zu kühlen. Drebbel hoffte, den König zu seinem Kern zu schütteln. ANDREW SZYDLO (Chemie Historiker): Er hatte einen phänomenal fruchtbaren Geist. Er war ein Erfinder par excellence. Seine ganze Welt war in einer Welt der Alchimie, der ewigen Bewegungsmaschinen, der Idee von Zeit, Raum, Planeten, Mond, Sonne, Götter durchdrungen. Er war ein eifrig religiöser Mann. Er war eine Person, für die die Natur eine phänomenale darstellte. Eine galaxie von möglichkeiten NARRATOR: Dr. Andreas Szydlo, ein Chemiker mit einer lebenslangen Faszination für Drebbel, genießt seine Reinkarnation als der große Hofmagier. Wie die meisten Alchimisten, behielt Drebbel seine Methoden geheim. Dr. Szydlo will seine Ideen darüber testen, wie Drebbel künstliche Kälte erschaffen hat. ANDREW SZYDLO: Als Drebbel versucht, die niedrigste Temperatur zu erreichen, wusste er, dass Eis natürlich der Gefrierpunkt war, der kälteste, den man normalerweise bekommen könnte. Aber er hätte sich der Tatsachen bewusst gewesen, durch seine Erfahrung, dass das Mischen von Eis mit verschiedenen Salzen könnte Ihnen eine kältere Temperatur. NARRATOR: Salz wird die Temperatur senken, bei der Eis schmilzt. Dr. Szydlo denkt, dass Drebbel vermutlich übliches Tafelsalz verwendet hat, das den größten Temperaturabfall ergibt. Aber Salz und Eis allein reichen nicht aus, um die Luft in einem so großen Innenraum zu kühlen. Drebbel war berühmt für die Gestaltung von aufwendigen Kontraktionen, eine Leidenschaft, die von Dr. Szydlo geteilt wurde, der eine Idee für die Alchimisten hat. ANDREW SZYDLO: Also hier hätten wir einen Ventilator gehabt, der sich umgedreht hätte, und warme Warmluft über die kalten Schiffe. Und da die Luft über diese kalten Gläser weht, hätten wir in Wirklichkeit die erste erste Klimaanlage der Welt gehabt. NARRATOR: Aber könnte das wirklich Sommer in den Winter verwandeln ANDREW SZYDLO: Die Idee ist, es so gut wie möglich zu rühren, in den fünf Sekunden, die du tun musst. NARRATOR: Dr. Szydlo stapelt die Gläser der Gefriermischung, um kalte Korridore für die Luft zu schaffen, um durchzugehen. ANDREW SZYDLO: Jetzt können wir es sehr kalt fühlen. Tatsächlich konnte ich kalte Luft fühlen, die tatsächlich auf meine Hände fiel, denn kalte Luft ist natürlich dichter als warme Luft, und man kann es ganz klar auf den Fingern spüren. NARRATOR: Die lebenswichtige Frage: Würde der Windstoß der warmen Luft kalt werden UND SELYDLO: Ich kann fühlen, sicherlich eine Explosion von kalter Luft, die mich schlägt, als die zweite Abdeckung freigegeben wurde. Nun, Temperatur. Waren im Moment auf 14. Ja, geh es weiter. Das ist definitiv die richtige Richtung. NARRATOR: König James wäre von seiner Begegnung mit künstlicher Erkältung erschüttert worden. Hätte Drebbel seinen großen Stunt aufgeschrieben, so wäre er vielleicht als Erfinder der Klimaanlage in die Geschichte gegangen, doch wäre es fast drei Jahrhunderte, bevor diese Idee tatsächlich abheben würde. Um Wissen zu erlangen und die Kälte zu erobern, erfordert einen ganz anderen Ansatz, die wissenschaftliche Methode. Die grundlegende Frage, Was ist kalt verfolgt Robert Boyle fast 50 Jahre später. Der Sohn des Grafen von Cork, ein reicher Adliger, Boyle benutzte sein Vermögen, um ein umfangreiches Labor zu bauen. Boyle ist berühmt für seine Experimente über die Natur der Luft, aber er wurde auch der erste Meister der Kälte. Ich glaube, es sei ein wichtiges, aber vernachlässigtes Thema, er führte Hunderte von Experimenten durch. SIMON SCHAFFER: Er hat sehr systematisch eine Reihe von Ideen gemacht, was kalt ist: Kommt es aus der Luft Ist es aus der Abwesenheit von Licht kommen Ist es da, dass es seltsame so genannte kälter kaltfertige Teilchen gibt NARRATOR: In Boyles Tag, die dominante Ansicht war, dass Kälte ist eine primordiale Substanz, die Körper nehmen, wie sie kälter und vertreiben, wie sie aufwärmen. Es war diese Ansicht, dass Boyle schließlich durch eine Reihe von sorgfältig ausgearbeiteten Experimenten auf Wasser umstürzen würde. Zuerst wog er sorgfältig ein Fass Wasser und nahm es draußen im Schnee und ließ es über Nacht einfrieren. Boyle war neugierig auf die Art und Weise, wie sich das Wasser erweitert hatte, als es sich um Eis drehte. Er begriff, dass, wenn einmal das Wasser auf Eis wandte, das Fass mehr wog, dann war vielleicht Kälte eine Substanz. Aber als sie das Fass wieder wogen, entdeckten sie, dass es genau das gleiche wog. SIMON SCHAFFER: Also was muss passieren, sagte Boyle, dass die Teilchen des Wassers sich weiter auseinanderbewegten, und das war die Expansion, nicht irgendeine Substanz, die von außen in den Fass floss. NARRATOR: Boyle wurde zunehmend davon überzeugt, dass Kälte nicht eine Substanz war, sondern etwas, was mit einzelnen Partikeln geschah, und er begann, zu seinen früheren Experimenten mit Luft zurückzudenken. Als Materie wie Luft wird wärmer, es neigt dazu zu erweitern. Boyle stellte sich vor, dass die Luftpartikel wie kleine Federn waren, allmählich abwickeln und mehr Platz einnehmen, wenn sie sich aufheizen. SIMON SCHAFFER: Boyles Schlussfolgerung, hier war, dass Hitze eine Form der Bewegung einer bestimmten Art ist, und dass, wie Körper abkühlen, sie sich immer weniger bewegen. NARRATOR: Boyles am längsten veröffentlichte Buch war in der Kälte, aber er fand seine Studie lästig und voller Härten und erklärte, dass er sich wie ein Arzt bemühte, in einem abgelegenen Land ohne den Nutzen von Instrumenten oder Medikamenten zu arbeiten. Um dieses Land der Erkältung richtig zu erforschen, beklagte Boyle den Mangel an einem entscheidenden Werkzeug, ein genaues Thermometer. Erst Mitte des 17. Jahrhunderts begannen die Glasgebläse in Florenz, genau kalibrierte Thermometer zu produzieren. Jetzt wurde es möglich, Grade von heiß und kalt zu messen. Wie die Luft in Boyles Experiment, Hitze macht die meisten Stoffe zu erweitern. Frühe Thermometer verwendet Alkohol, der leichter als Quecksilber ist und viel mehr mit Hitze erweitert, so dass diese frühen Thermometer waren manchmal mehrere Meter lang und oft in Spiralen gewickelt. Aber es gab noch ein großes Problem mit allen Thermometern: das Fehlen einer allgemein akzeptierten Temperaturskala. HASOK CHANG (University College London): Es gibt alle Arten von verschiedenen Möglichkeiten zu versuchen, Zahlen durch diese Grade von heiß und kalt zu halten. Und sie waren im Großen und Ganzen nicht einverstanden. So ein Kerl in Florenz macht eine Art Thermometer, ein anderer Typ in London macht eine andere Art, und sie haben einfach nicht einmal die gleiche Skala. Und so gab es viel Problem beim Versuch, die Thermometer zu standardisieren. NARRATOR: Die Herausforderung war, Ereignisse in der Natur zu finden, die immer bei der gleichen Temperatur auftreten und sie zu festen Punkten machen. Am unteren Ende der Skala könnte das Eis sein, so wie es anfängt, am oberen Ende zu schmelzen, es könnte Wachs auf seinen Schmelzpunkt erhitzt werden. Die erste Temperaturskala, die weithin angenommen wurde, wurde von Gabriel Daniel Fahrenheit, einem begabten Instrumentenhersteller, entworfen, der Thermometer für Wissenschaftler und Ärzte in ganz Europa machte. Er hatte mehrere feste Punkte: Er benutzte eine Mischung aus Eis, Wasser und Salz für seine null Grad Eisschmelzen in Wasser bei 32 Grad und für seinen oberen Fixpunkt, die Temperatur des menschlichen Körpers bei 96 Grad, die in der Nähe der Moderner Wert. HASOK CHANG: Eines der Dinge, die Fahrenheit erreichen konnte, war, Thermometer ganz klein zu machen, und das machte er mit Quecksilber, im Gegensatz zu Alkohol oder Luft, die andere Leute benutzt hatten. Und weil Quecksilber-Thermometer sind kompakt, klar, wenn youre versuchen, es für klinische Zwecke verwenden, wollen Sie nicht, dass einige große Sache aus dem Patienten haften. Also die Tatsache, dass er sie klein und bequem machen könnte, das scheint zu sein, was Fahrenheit so berühmt und so einflussreich gemacht hat. NARRATOR: Es war ein schwedischer Astronom, Anders Celsius, der mit der Idee kam, die Skala zwischen zwei festen Punkten in 100 Divisionen zu teilen. HASOK CHANG: Die ursprüngliche Skala, die von Celsius benutzt wurde, war umgekehrt, also hatte er den Siedepunkt des Wassers als Null und der Gefrierpunkt als 100, mit Zahlen, die gerade weiter ansteigen, während wir unter dem Gefrierpunkt gehen. Und das ist ein weiteres kleines Geheimnis in der Geschichte des Thermometers, das wir einfach nicht sicher wissen. Was dachte er, als er es so beschrieb, und es war der Botaniker Linné, der damals der Präsident der schwedischen Akademie war, der nach ein paar Jahren sagte: Nun, wir müssen diesen Unsinn aufhalten und die Skala umkehren Uns, was wir heute Celsius-Skala nennen. NARRATOR: Eine Frage, die niemand gedacht hat, um zu fragen, wenn es um die Temperaturskala geht. Wie niedrig können Sie gehen Gibt es eine absolute Untergrenze der Temperatur Die Idee, dass es möglich wäre, würde zu einem Wendepunkt in der Geschichte der Kälte werden. HASOK CHANG: Die Geschichte beginnt mit dem französischen Physiker Guillaume Amontons. Er machte Experimente Heizung und Kühlung von Luft, um zu sehen, wie sie sich ausdehnen und zusammenziehen. NARRATOR: Amontons erhitzte Luft in einem Glaskolben, indem sie es in heißes Wasser. Genau wie ein Heißluftballon, die Luft in der Glaskolben erweitert als der erhöhte Druck zwang eine Säule von Quecksilber bis die Tube. Dann versuchte er, die Luft zu kühlen. HASOK CHANG: Er bemerkte das gut, wenn du eine Luft kühlst, würde der Druck untergehen. Und er spekulierte: Nun, was würde passieren, wenn wir es einfach nur abkühlen lassen NARRATOR: Durch das Plotten dieser fallenden Temperatur gegen den Druck sah Amontons das, als die Temperatur sank, so auch der Druck, und das gab ihm eine außergewöhnliche Idee. ANDREW SZYDLO: Amontons begannen, die Möglichkeit zu prüfen, Was würde passieren, wenn du diese Linie zurückprobiert hättest, bis der Druck null war. Und das war das erste Mal im Laufe der Geschichte, dass die Leute tatsächlich das Konzept eines absoluten Nullpunktes der Temperatur betrachtet hatten: Null Druck, Nulltemperatur. HASOK CHANG: Es war eine ziemlich revolutionäre Idee, wenn du darüber nachdenkst, weil du nicht nur denkst, dass die Temperatur eine Grenze von unterer Grenze oder Null hat, denn im oberen Ende kann es ewig weitergehen, wir denken, bis es heißer ist Und heißer und heißer. Aber irgendwie, vielleicht gibt es einen Nullpunkt, wo das alles beginnt. So könnte man eigentlich eine Berechnung geben, wo dieser Nullpunkt wäre. Amontons hat diese Berechnung nicht selbst gemacht, aber einige andere Leute haben es später gemacht. Und wenn du es tust, dann bekommst du einen Wert, der eigentlich nicht so weit von dem modernen Wert von, ungefähr, minus-273 Celsius ist. NARRATOR: In einem Schlaganfall hatte Amontons erkannt, dass, obwohl die Temperaturen für immer weiter steigen könnten, sie nur so weit fallen konnten, wie dieser absolute Punkt, der mittlerweile minus-273 Grad Celsius ist. Für ihn war das eine theoretische Grenze, kein Ziel zu erreichen. Bevor die Wissenschaftler auf diesen Nullpunkt wagen konnten, weit über die kältesten Temperaturen auf der Erde hinaus, mussten sie eine grundlegende Frage lösen. Mittlerweile definierten die meisten Wissenschaftler Kälte einfach als Abwesenheit von Hitze, aber was tatsächlich geschah, als Stoffe erwärmt oder gekühlt wurden, wurde immer noch heiß diskutiert. SIMON SCHAFFER: Das Argument der Männer wie Amontons stützte sich ganz auf die Vorstellung, dass Hitze eine Form der Bewegung ist und dass sich Partikel immer mehr eng zusammen bewegen, als die Substanz, in der sie sich kühler und kühler werden. NARRATOR: Leider war die Wissenschaft der Kälte im Begriff, einen ernsthaften Rückschlag zu erleiden. Die Idee, dass Kühlung durch Partikel verursacht wurde, verlangsamte, ging aus der Mode heraus. Am Ende des 18. Jahrhunderts tauchte eine rivalisierende Theorie der Hitze und Kälte auf, die spannend ansprechend war, aber völlig falsch war. Es hieß die kalorische Theorie, und ihr Hauptanwalt war der große französische Chemiker Antoine Lavoisier. Wie die meisten Wissenschaftler der Zeit war Lavoisier ein reicher Aristokrat, der seine eigene Forschung finanzierte. Er und seine Frau, Madame Lavoisier, die mit seinen Experimenten behilflich war, beauftragten sogar den berühmten Maler David, ihr Porträt zu malen. Lavoisier führte Experimente durch, um die falsche Vorstellung zu unterstützen, dass Hitze eine Substanz war, eine schwerelose Flüssigkeit, die er kalorisch nannte. HASOK CHANG: Er dachte, in dem festen Zustand der Materie waren die Moleküle nur zusammen dicht gepackt, und wenn man ihm mehr und mehr Kalorien hinzufügte, würde sich die Kalorien zwischen diesen Teilchen der Materie unterstellen und sie auflösen. Also war die Grundbedeutung, dass Kalorien diese Flüssigkeit war, die, wie er es ausdrückte, selbstsüchtig war. Es tendierte einfach dazu, die Dinge voneinander zu brechen. Und das ist seine grundlegende Vorstellung von Hitze. So kalt ist nur die Abwesenheit von Kalorien oder der relative Mangel an Kalorien. NARRATOR: Lavoisier hatte sogar einen Apparat, um Kalorien zu messen, den er ein Kalorimeter nannte. Er packte das äußere Fach mit Eis. Im Inneren führte er Experimente durch, die Hitze erzeugten, manchmal von chemischen Reaktionen, manchmal von Tieren, um zu bestimmen, wie viel Kalorien freigesetzt wurde. Er sammelte das Wasser aus dem schmelzenden Eis und wog es, um die Menge an Kalorien zu berechnen, die aus jeder Quelle erzeugt wurden. ROBERT FOX (Universität Oxford): Ich denke, das auffälligste an Lavoisier ist, dass er Kalorien als eine Substanz sieht, die genau mit der gewöhnlichen Materie vergleichbar ist, bis zu dem Punkt, dass er Kalorien in seiner Liste der Elemente enthält. SIMON SCHAFFER: In der Tat ist für Lavoisier ein Element wie Sauerstoff oder Stickstoff. Sauerstoffgas wird aus Sauerstoff plus Kalorien gemacht, und wenn man die Kalorien weg nimmt, vermutlich könnte der Sauerstoff verflüssigen. So ist es ein sehr hartes Modell, sich zu verlagern, denn es erklärt so viel, und in der Tat war die Lavoisiers-Chemie so außerordentlich erfolgreich. Allerdings wurde Lavoisiers Geschichte über Kalorien bald untergraben. NARRATOR: Aber es war ein Mann, der überzeugt war, dass Lavoisier falsch war und entschlossen war, die Kalorientheorie zu zerstören. Sein Name war Graf Rumford. Graf Rumford hatte eine bunte Vergangenheit. Er wurde in Amerika geboren, sprang für die Briten während der Revolution, und nachdem er ins Exil gezwungen wurde, wurde ein einflussreicher Regierungsminister in Bayern. Unter seinen vielfältigen Aufgaben war die Artillerie-Arbeit, und es war hier, in den 1790er Jahren, dass er anfing zu denken, wie er in der Lage sein könnte, die Kalorientheorie mit Kanonen langweilig zu widerlegen. Rumford hatte bemerkt, dass die Reibung aus dem Ausbohren eines Kanonenfässers eine Menge Hitze erzeugte. Er beschloss, Experimente durchzuführen, um zu messen, wie viel. Er paßte die langweilige Maschine an, um noch mehr Wärme zu erzeugen, indem er einen stumpfen Bohrer installierte, der ein Ende in eine Wasserjacke untergetaucht hatte. Als die Kanone sich gegen den Bohrer wandte, erhöhte sich die Temperatur des Wassers und wurde schließlich gekocht. Je länger er langweilte, desto mehr Wärme wurde produziert. SIMON SCHAFFER: Für Rumford, was dies zeigte, war, dass Hitze eine Form der Bewegung sein muss, und Wärme ist kein Stoff, weil man unendlich große Mengen an Wärme einfach durch Drehen der Kanone erzeugen könnte. NARRATOR: Trotz Graf Rumfords beste Bemühungen blieb die Kalorien-Theorie von Lavoisiers bis zum Ende des 18. Jahrhunderts dominant. Sein Prestige als Chemiker bedeutete, dass einige es wagten, seine Ideen herauszufordern, aber das schützte ihn nicht vor dem revolutionären Aufruhr in Frankreich, der seine Forschung unterbrechen sollte. Auf dem Höhepunkt der Herrschaft des Terrors wurde Lavoisier verhaftet und schließlich seinen Kopf verloren. SIMON SCHAFFER: Sobald er guillotiniert war, verließ seine Frau Frankreich und traf schließlich Rumford, als er Anfang des 19. Jahrhunderts nach Westeuropa zog. Rumford heiratete sie dann. So hehte er die Witwe des Mannes, der die Theorie gründete, die hed zerstört wurde. NARRATOR: Die Ehe war kurzlebig. Nach einem gepeinigten Jahr verließ Rumford Madame Lavoisier und widmete den Rest seines Lebens seiner ersten Liebe, der Wissenschaft. Es wäre fast 50 Jahre bevor Rumfords Idee, dass Temperatur ist einfach ein Maß für die Bewegung der Partikel wurde akzeptiert. Mit Hitze, die Partikel8212, die wir jetzt als Atome kennenlernen, und mit Kälte, verlangsamen sie sich. Rumfords Hingabe an die Wissenschaft führte ihn dazu, ein Begründer der Royal Institution in London zu werden, und hier war der nächste große Durchbruch bei der Eroberung der Kälte. Michael Faraday, der später für seine Arbeit über Elektrizität und Magnetismus berühmt wurde, würde einen kritischen frühen Schritt in der langen Abstieg auf absolute Null nehmen, als er gebeten wurde, die Eigenschaften von Chlor mit Kristallen von Chlorhydrat zu untersuchen. Dieses Experiment war potenziell explosiv, das ist vielleicht der Grund, warum es nach Faraday gegangen war8212 und vielleicht auch warum Dr. Andrew Szydlo neugierig ist, es heute zu wiederholen. ANDREW SZYDLO: Wir sind dabei, ein außerordentlich gefährliches Experiment zu unternehmen, in dem Michael Faraday 1823 diese Substanz hier, das Hydrat des Chlors, in einem versiegelten Rohr erhitzt hat. LAB ASSISTANT: Das ist versiegelt, Andrew. ANDREW SZYDLO: Das ist absolut genialer NARRATOR: Im ursprünglichen Experiment nahm Faraday das versiegelte Röhrchen und erhitzte das Ende, das das Chlorhydrat enthielt, in heißem Wasser. Er setzte das andere Ende in ein Eisbad. Bald bemerkte er, dass gelbes Chlorgas abgegeben wurde. ANDREW SZYDLO: Weil das Gas produziert wird, drückt sich der Druck auf. Ray, das ist, wo es anfängt, gefährlich zu werden, also wenn du jetzt ein paar Schritte zurück machst. NARRATOR: Als Faraday das Experiment machte, kam ein Besucher, Dr. Paris, um zu sehen, was er wollte. Paris wies auf etwas ölige Materie im Boden des Tubus hin. Faraday war neugierig und beschloss, die Tube zu öffnen. ANDREW SZYDLO: Richtig, also lasst uns hier sehen. NARRATOR: Die Explosion hat Scherben des Glasfliegens geschickt. Mit der plötzlichen Druckentlastung verschwand die ölige Flüssigkeit. ANDREW SZYDLO: Und da sind wir. LAB ASSISTANT: Ist das passiert ANDREW SZYDLO: Ja, das ist genau das, was passiert ist. Es tauchte auf, Glas flog, und Kannst du den starken Duft von Chlor erkennen LAB ASSISTANT: Ich kann jetzt. ANDREW SZYDLO: Absolut. Nun, er entdeckte den starken Geruch von Chlor und das war ein großes Geheimnis für ihn. NARRATOR: Faraday erkannte bald, dass der erhöhte Druck innerhalb des versiegelten Rohres das Gas verflüssigt hatte. Und als das Röhrchen zerbrochen war, verdampfte die Flüssigkeit, ebenso wie Wärme angewendet werden mußte, um Wasser zu verdampfen. Er sah, dass Energie aus der umgebenden Luft flüssiges Chlor in ein Gas verwandelt hatte. In einer brillanten Deduktion erkannte Faraday, dass er durch die Aufnahme von Wärme aus der Luft gekühlt oder die Umgebung gekühlt hatte. Michael Faraday hatte kalt gemacht. Später benutzte er die gleiche Technik mit Ammoniak, das noch mehr Wärme absorbiert. Er sagte voraus, dass eines Tages diese Kühlung kommerziell nützlich sein könnte. Faraday interessierte sich nicht für kommerzielle Ausbeutung, aber über den Atlantik hatte ein Yankee-Unternehmer eine ganz andere Philosophie. Frederick Tudor hatte ein Chancengespräch mit seinem Bruder, der ihn auf einen Weg führte, um einer der reichsten Männer in Amerika zu werden. DENNIS PICARD (Storrowton Museum): Die Geschichte geht: am Tisch, sie haben versucht zu entscheiden, was sie auf ihrer Väterfarm hatten, die sie Geld verdienen konnten. Und sicherlich gab es viel, viele Felsen, aber Leute werent werden dafür bezahlen. Also kamen sie mit der Idee von vielleicht Eis, denn einige der Bereiche hatten kein Eis. Und es schien irgendwie verrückt zu sein, aber es hat sich gelohnt. NARRATOR: Als Tudor begann, Eis aus Neuengland-Teichen zu ernten, erkannte er bald, dass er spezialisierte Werkzeuge brauchte, um mit der großen Nachfrage Schritt zu halten. DENNIS PICARD: Wir hatten die Sägen, und die Sägen waren eine Verbesserung gegenüber den alten Holzsägen. Sie haben Zähne, die auf beiden Seiten geschärft und so eingestellt werden, dass es sowohl den Auf - als auch den Abschlag schneidet. Eine Mannschaft konnte einen drei Hektar großen Teich leicht in ein paar Tagen löschen. NARRATOR: Tudors träumen, Eis zugänglich zu machen, war nicht auf New England beschränkt. Er wollte Eis zu heißen Teilen der Welt, wie die Karibik und den tiefen Süden. DENNIS PICARD: Als Tudor zuerst versuchte, Schiffsleute zu überzeugen, seine Ladung gefrorenes Wasser in die Schiffe zu legen, weigerten sich alle, weil sie ihm sagten, dass Wasser außerhalb des Rumpfes nicht drinnen war. Also musste er andere Investoren finden, um das Geld zu bekommen, um sein eigenes Schiff zu kaufen. Und er kaufte ein Schiff mit dem Namen des Lieblinges. NARRATOR: New England wurde der Kühlschrank für die Welt, mit Eis Sendungen in die Karibik, die Küste von Südamerika und Europa. Tudor erreichte sogar Indien und China. Als er den Eisschneider, der Walden-Teich arbeitete, beobachtete, wunderte sich Henry Thoreau, dass das Wasser von seinem Badestrand auf halbem Weg um den Globus reiste, um in der Tasse eines ostindischen Philosophen zu enden. Tudor, der bald als Eiskönig bekannt wurde, begann mit Pferden und riesigen Teams von Arbeitern, um größere und größere Seen zu ernten, als die Nachfrage nach Eis wuchs. During the latter half of the 19th century, the ice industry eventually employed tens of thousands of people. DENNIS PICARD: Tudor became the largest distributor of ice, and he became one of the first American millionaires. And were talking about one of his ships going to the Caribbean giving him a profit of 6,000. Now, this is in a time period when people were earning 200 to 300 a year8212the average family8212so someone earning thousands of dollars was just inconceivable. And that would be losing 20 percent of your ice when it got there. There was still huge amounts of profit. NARRATOR: Tudors success was based on an extraordinary physical property of ice. It takes the same amount of heat to melt a block of ice as it does to heat an equivalent quantity of water to around 80 degrees Celsius. This meant that ice took a long time to melt, even when shipped to hotter climates. What started out as a small family enterprise turned into a global business. Frederick Tudor had industrialized cold in the same way the great pioneers of steam had harnessed heat. By the 1830s, the industrial revolution was in full swing. Yet, ironically, it was not until a small group of scientists worked out the underlying principles of how steam engines convert heat into motion that the next step in the conquest of cold could be made. Only after solving this riddle of heat engines, could the first cold engines be made to produce artificial refrigeration. SIMON SCHAFFER: How much useful work can you get out of a given amount of heat By the early 1800s, that had become the single most important economic problem in Europe. To make a profit was to convert heat into motion efficiently, without wasting heat and getting the maximum amount of mechanical effect. NARRATOR: The first person to really engage with this problem was a young French artillery engineer, Sadi Carnot. He thought that improving the efficiency of steam engines might help Frances flagging economy after the defeat at Waterloo in 1815. Working at the Conservatoire des Arts et Meacutetiers he began to analyze how a steam engine was able to turn heat into mechanical work. SIMON SCHAFFER: In steam engines, it looks as though heat is flowing around the engine, and, as it flows, the engine does mechanical work. The implication there is that heat is neither consumed nor destroyed, you simply circulate it around and it does work. NARRATOR: Carnot likened this flow of heat to the flow of water over a waterwheel. He saw that the amount of mechanical work produced depended on how far the water fell. His novel idea was that steam engines worked in a similar way, except this fall was a fall in temperature from the hottest to the coldest part of the engine. The greater the temperature difference, the more work was produced. Carnot distilled these profound ideas into an accessible book for general readers, which meant it was largely ignored by scientists instead of being heralded as a classic. ROBERT FOX: Well this is the book. Its Carnots only publication, Reflections on the Motive Power of Fire of 1824 . a small book, 118 pages only, published just 600 copies, and in his own lifetime its virtually unknown. Twenty years after the publication, William Thomson, the Scottish physicist, is absolutely intent on finding a copy. Hes here in Paris, and the accounts we have suggest that he spends a great deal of time visiting book shops, visiting the bookinistes on the banks of the Seine, looking, always asking for the book. And the booksellers tell him theyve never even heard of it. NARRATOR: Back then, William Thomson, who would later become Lord Kelvin, a giant in this new field of thermodynamics, was impressed by Carnots idea that the movement of heat produced useful work in the machine. But when he returned home, he heard about an alternative theory from a Manchester brewer called James Joule. HASOK CHANG: Joule had this notion that Carnot was wrong, that heat wasnt producing work just by its movement, heat was actually turning into mechanical work, which, which is a very strange idea when you think about it. Were all now used to thinking about energy and how it can take all different forms, but it was a revolutionary idea that heat and something like mechanical energy were, at bottom, the same kind of thing. NARRATOR: The experiment that convinced Joule of this was set up in the cellar of his brewery. It converted mechanical movement into heat, almost like a steam engine in reverse. 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. Und. 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. Vielen Dank. 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. Und. 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. Vielen Dank. 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. Vielen Dank. 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. Und. 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. Vielen Dank. 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. Unter der Annahme, dass die fehlenden Daten zufällig fehlen, ergibt sich eine Schätzung für die Kovarianzmatrix, die unvoreingenommen ist. Für viele Anwendungen ist diese Schätzung jedoch nicht akzeptabel, da die geschätzte Kovarianzmatrix nicht als positiv halb-definitiv garantiert ist. Dies könnte zu geschätzten Korrelationen mit absoluten Werten führen, die größer als eins sind und eine nicht invertierbare Kovarianzmatrix. Siehe Schätzung der Kovarianzmatrizen für weitere Details. DataFrame. cov unterstützt auch ein optionales Minperiod-Keyword, das die erforderliche Mindestanzahl von Beobachtungen für jedes Spaltenpaar angibt, um ein gültiges Ergebnis zu erhalten. Die im Fenster verwendeten Gewichte werden durch das Schlüsselwort wintype angegeben. Die Liste der anerkannten Typen sind: boxcar triang blackman hamming bartlett parzen bohman blackmanharris nuttall barthann kaiser (benötigt beta) gaussian (benötigt std) generalgaussian (benötigt Macht, Breite) slepian (braucht Breite). Beachten Sie, dass das Kastenfenster dem Mittelwert entspricht (). Für einige Fensterfunktionen müssen zusätzliche Parameter angegeben werden: Für. sum () mit einem Wintype. Es gibt keine Normalisierung an den Gewichten für das Fenster. Wenn man benutzerdefinierte Gewichte von 1, 1, 1 erhält, ergibt sich ein anderes Ergebnis als die Gewichte von 2, 2, 2. zum Beispiel. Beim Überschreiten eines Wintyps anstatt explizit die Gewichte zu spezifizieren, sind die Gewichte bereits normalisiert, so dass das größte Gewicht 1 ist. Im Gegensatz dazu ist die Art der. mean () - Berechnung so, dass die Gewichte in Bezug aufeinander normalisiert werden. Gewichte von 1, 1, 1 und 2, 2, 2 ergeben das gleiche Ergebnis. Time-aware Rolling Neu in Version 0.19.0. Neu in der Version 0.19.0 sind die Möglichkeit, einen Offset (oder Cabrio) an eine. rolling () - Methode zu übergeben und es auf der Grundlage des übergebenen Zeitfensters variable Fenster zu erzeugen. Für jeden Zeitpunkt sind alle vorangegangenen Werte innerhalb der angegebenen Zeit delta enthalten. Dies kann besonders nützlich für einen nicht regelmäßigen Zeitfrequenzindex sein. Dies ist ein regelmäßiger Frequenzindex. Die Verwendung eines Integer-Fensterparameters funktioniert, um die Fensterfrequenz zu rollen. Die Angabe eines Offsets ermöglicht eine intuitivere Spezifikation der Rollfrequenz. Mit einem nicht regelmäßigen, aber immer noch monotonen Index, das Rollen mit einem ganzzahligen Fenster gibt keine spezielle Berechnung. Die Verwendung der Zeit-Spezifikation erzeugt variable Fenster für diese spärlichen Daten. Darüber hinaus erlauben wir nun einen optionalen Parameter, um eine Spalte (und nicht die Standardeinstellung des Index) in einem DataFrame anzugeben. Time-aware Rolling vs. Resampling Mit. rolling () mit einem zeitbasierten Index ähnelt dem Resampling. Sie betreiben und führen reduktive Operationen auf zeitindizierten Pandasobjekten durch. Bei Verwendung von. rolling () mit einem Offset. Der Versatz ist ein Zeit-Dreieck. Nehmen Sie ein Rückwärts-in-Zeit-Fenster und aggregieren alle Werte in diesem Fenster (einschließlich der Endpunkt, aber nicht der Startpunkt). Dies ist der neue Wert zu diesem Zeitpunkt im Ergebnis. Dies sind variable Fenster im Zeitraum für jeden Punkt der Eingabe. Sie erhalten ein gleiches Ergebnis wie die Eingabe. Bei Verwendung von. resample () mit einem Offset. Konstruieren Sie einen neuen Index, der die Häufigkeit des Offsets ist. Für jeden Frequenz-Bin, Aggregat Punkte aus der Eingabe in einem Rückwärts-in-Zeit-Fenster, die in diesem bin. Das Ergebnis dieser Aggregation ist die Ausgabe für diesen Frequenzpunkt. Die Fenster sind im Größenbereich feste Größe. Ihr Ergebnis hat die Form einer regelmäßigen Frequenz zwischen dem Min und dem Maximum des ursprünglichen Eingabeobjekts. Zusammenfassen. Rolling () ist eine zeitbasierte Fensterbedienung, während. resample () eine frequenzbasierte Fensteroperation ist. Zentrieren von Windows Standardmäßig sind die Etiketten am rechten Rand des Fensters eingestellt, aber ein zentrales Schlüsselwort steht zur Verfügung, so dass die Etiketten in der Mitte eingestellt werden können. Binäre Fensterfunktionen cov () und corr () können bewegte Fensterstatistiken über zwei Serien oder eine beliebige Kombination von DataFrameSeries oder DataFrameDataFrame berechnen. Hier ist das Verhalten in jedem Fall: zwei Serien. Berechnen Sie die Statistik für die Paarung. DataFrameSeries. Berechnen Sie die Statistik für jede Spalte des DataFrame mit der übergebenen Serie und geben so ein DataFrame zurück. DataFrameDataFrame. Standardmäßig die Statistik für die Übereinstimmung der Spaltennamen berechnen und einen DataFrame zurückgeben. Wenn das Keyword-Argument paarweiseTrue übergeben wird, berechnet man die Statistik für jedes Spaltenpaar und gibt ein Panel zurück, dessen Elemente die betreffenden Termine sind (siehe nächster Abschnitt). Computing Rolling Paarweise Kovarianzen und Korrelationen In der Finanzdatenanalyse und anderen Bereichen it8217s gemeinsam, um Kovarianz und Korrelationsmatrizen für eine Sammlung von Zeitreihen zu berechnen. Oft ist man auch an Moving-Fenster-Kovarianz - und Korrelationsmatrizen interessiert. Dies kann getan werden, indem man das paarweise Schlüsselwort-Argument übergibt, das im Fall von DataFrame-Eingaben ein Panel liefert, dessen Elemente die Daten sind. Im Falle eines einzigen DataFrame-Arguments kann das paarweise Argument sogar weggelassen werden: Fehlende Werte werden ignoriert und jeder Eintrag wird mit den paarweise vollständigen Beobachtungen berechnet. Bitte beachten Sie die Kovarianz-Sektion für Einschränkungen, die mit dieser Methode zur Berechnung von Kovarianz - und Korrelationsmatrizen verbunden sind. Abgesehen davon, dass kein Fensterparameter vorhanden ist, haben diese Funktionen die gleichen Schnittstellen wie ihre. rolling-Pendants. Wie oben sind die Parameter, die sie alle akzeptieren: minperiods. Schwelle von Nicht-Null-Datenpunkten zu erfordern. Standardmäßig benötigt, um die Statistik zu berechnen. Es werden keine NaNs ausgegeben, sobald Minimalperioden Nicht-Null-Datenpunkte gesehen wurden. Center. Boolean, ob die Etiketten in der Mitte gesetzt werden sollen (Standard ist False) Die Ausgabe der. rolling - und. expanding-Methoden gibt kein NaN zurück, wenn es im aktuellen Fenster mindestens Minimalperioden gibt. Das unterscheidet sich von cumsum. Cumprod Cummax Und cummin Die NaN in der Ausgabe zurückgeben, wo ein NaN in der Eingabe angetroffen wird. Eine expandierende Fensterstatistik wird stabiler (und weniger reaktionsfähig) als sein Rollfenster, da die zunehmende Fenstergröße die relative Auswirkung eines einzelnen Datenpunktes verringert. Als Beispiel hierbei handelt es sich um die mittlere () Ausgabe für den vorherigen Zeitreihen-Datensatz: Exponentiell gewichtetes Fenster Ein verwandter Satz von Funktionen sind exponentiell gewichtete Versionen mehrerer der obigen Statistiken. Eine ähnliche Schnittstelle zu. rolling und. expanding wird durch die. ewm-Methode aufgerufen, um ein EWM-Objekt zu empfangen. Es werden eine Reihe von expandierenden EW (exponentiell gewichtete) Methoden bereitgestellt: