Pomimo dziesięcioleci trwających badań naukowcy starają się zrozumieć, w jaki sposób cztery podstawowe siły Wszechświata pasują do siebie. Podczas gdy mechanika kwantowa może wyjaśnić, w jaki sposób trzy z tych sił działają na najmniejszych skalach (elektromagnetyzm, słabe i silne siły jądrowe), ogólna teoria względności wyjaśnia, jak zachowują się rzeczy na największej skali (tj. Grawitacji). Pod tym względem grawitacja pozostaje przeszkodą.
Aby zrozumieć, w jaki sposób grawitacja oddziałuje z materią w najmniejszej skali, naukowcy opracowali kilka naprawdę nowatorskich eksperymentów. Jednym z nich jest laboratorium NASA Cold Atom (CAL), zlokalizowane na pokładzie ISS, które niedawno osiągnęło kamień milowy, tworząc chmury atomów znane jako kondensaty Bosego-Einsteina (BEC). Po raz pierwszy BEC zostały utworzone na orbicie i oferują nowe możliwości zbadania praw fizyki.
Pierwotnie przewidywani przez Satyendrę Nath Bose i Alberta Einsteina 71 lat temu, BEC są w gruncie rzeczy ultrazimnymi atomami, które osiągają temperatury nieco powyżej zera absolutnego, czyli punkt, w którym atomy powinny całkowicie przestać się poruszać (teoretycznie). Cząstki te są długowieczne i precyzyjnie kontrolowane, co czyni je idealną platformą do badania zjawisk kwantowych.
Taki jest cel funkcji CAL, która polega na badaniu ultrazimnych gazów kwantowych w środowisku mikrograwitacji. Laboratorium zostało zainstalowane w amerykańskim laboratorium naukowym na pokładzie ISS pod koniec maja i jest pierwszym tego typu w kosmosie. Został zaprojektowany w celu zwiększenia zdolności naukowców do precyzyjnych pomiarów grawitacji i zbadania, jak oddziałuje ona z materią w najmniejszej skali.
Jak wyjaśnił Robert Thompson, naukowiec projektu CAL i fizyk w NASA Jet Propulsion Laboratory, w najnowszym komunikacie prasowym:
„Przeprowadzenie eksperymentu BEC na stacji kosmicznej to spełnienie marzeń. Dotarcie tutaj było długą, trudną drogą, ale całkowicie warte walki, ponieważ jest tyle rzeczy, które będziemy w stanie zrobić z tym obiektem ”.
Około dwa tygodnie temu naukowcy CAL potwierdzili, że zakład wyprodukował BEC z atomów rubidu - miękkiego, srebrzystobiałego metalicznego pierwiastka w grupie alkalicznej. Według ich raportu osiągnęli temperaturę tak niską jak 100 nanoKelwinów, jeden dziesięć milionów Kelvina powyżej zera absolutnego (-273 ° C; -459 ° F). Jest to około 3 K (-270 ° C; -454 ° F) niższa niż średnia temperatura w kosmosie.
Ze względu na swoje unikalne zachowanie BEC charakteryzowane są jako piąty stan materii, odrębny od gazów, cieczy, ciał stałych i plazmy. W BEC atomy działają w skali makroskopowej bardziej jak fale niż cząstki, podczas gdy takie zachowanie jest zwykle obserwowane tylko w skali mikroskopowej. Ponadto wszystkie atomy przyjmują najniższy stan energetyczny i przyjmują tę samą tożsamość falową, co czyni je nierozróżnialnymi między sobą.
Krótko mówiąc, chmury atomowe zaczynają zachowywać się jak pojedynczy „super atom” zamiast pojedynczych atomów, co ułatwia ich badanie. Pierwsze BEC zostały wyprodukowane w laboratorium w 1995 r. Przez zespół naukowy składający się z Erica Cornella, Carla Wiemana i Wolfganga Ketterle, którzy podzielili się Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki z 2001 r. Za ich osiągnięcie. Od tego czasu przeprowadzono setki eksperymentów BEC na Ziemi, a niektóre zostały nawet wysłane w kosmos na pokładzie rakiet.
Ale funkcja CAL jest wyjątkowa, ponieważ jest pierwszą tego rodzaju w ISS, w której naukowcy mogą przeprowadzać codzienne badania przez długi czas. Obiekt składa się z dwóch znormalizowanych kontenerów, które składają się z większej „quad locker” i mniejszej „single locker”. Kwadratowa szafka zawiera pakiet fizyki CAL, przedział, w którym CAL wytworzy chmury ultra-zimnych atomów.
Odbywa się to za pomocą pól magnetycznych lub skupionych laserów w celu stworzenia beztarciowych pojemników zwanych „pułapkami atomowymi”. Gdy chmura atomowa dekompresuje się w pułapce atomowej, jej temperatura naturalnie spada, tym zimniej, im dłużej pozostaje w pułapce. Na Ziemi, gdy pułapki te są wyłączone, grawitacja powoduje, że atomy znów zaczynają się poruszać, co oznacza, że można je badać tylko przez ułamki sekundy.
Na pokładzie ISS, który jest środowiskiem mikrograwitacji, BEC mogą dekompresować się do niższych temperatur niż przy pomocy dowolnego instrumentu na Ziemi, a naukowcy są w stanie obserwować poszczególne BEC przez pięć do dziesięciu sekund na raz i powtarzać te pomiary do sześciu godzin dziennie. A ponieważ obiekt jest kontrolowany zdalnie z Centrum Operacyjnego Misje Orbitujące Ziemi w JPL, codzienne operacje nie wymagają interwencji astronautów na pokładzie stacji.
Robert Shotwell, główny inżynier z astronomii i fizyki w JPL, nadzorował projekt od lutego 2017 r. Jak wskazał w najnowszym komunikacie prasowym NASA:
„CAL jest niezwykle skomplikowanym instrumentem. Zazwyczaj eksperymenty BEC wymagają wystarczającej ilości sprzętu do wypełnienia pokoju i wymagają niemal stałego monitorowania przez naukowców, podczas gdy CAL jest wielkości małej lodówki i może być obsługiwany zdalnie z Ziemi. To była walka i wymagała znacznego wysiłku, aby pokonać wszystkie przeszkody niezbędne do stworzenia wyrafinowanego obiektu, który dziś działa na stacji kosmicznej. ”
Patrząc w przyszłość, naukowcy CAL chcą pójść jeszcze dalej i osiągnąć temperatury niższe niż cokolwiek osiągniętego na Ziemi. Oprócz rubidu zespół CAL pracuje również nad stworzeniem BECS przy użyciu dwóch różnych izotopów atomów potasu. W tej chwili CAL jest wciąż w fazie rozruchu, która polega na przeprowadzeniu przez zespół operacyjny długiej serii testów, aby zobaczyć, jak urządzenie CAL będzie działać w mikrograwitacji.
Jednak po uruchomieniu pięć grup naukowych - w tym grupy prowadzone przez Cornella i Ketterle - przeprowadzi eksperymenty w obiekcie przez pierwszy rok. Oczekuje się, że faza naukowa rozpocznie się na początku września i potrwa trzy lata. Jak ujął to Kamal Oudrhiri, menedżer misji JPL w CAL:
„Istnieje globalny zespół naukowców gotowych i podekscytowanych korzystaniem z tego obiektu. Różnorodny zakres eksperymentów, które planują przeprowadzić, oznacza, że istnieje wiele technik manipulowania i chłodzenia atomów, które musimy dostosować do mikrograwitacji, zanim przekażemy instrument głównym badaczom, aby rozpocząć operacje naukowe. ”
Z czasem Cold Atom Lab (CAL) może pomóc naukowcom zrozumieć, jak działa grawitacja w najmniejszej skali. W połączeniu z eksperymentami wysokoenergetycznymi przeprowadzonymi przez CERN i inne laboratoria fizyki cząstek na całym świecie, może to ostatecznie doprowadzić do teorii wszystkiego (ToE) i pełnego zrozumienia działania Wszechświata.
I koniecznie sprawdź ten fajny film (bez gry słów!) Z CAL, dzięki uprzejmości NASA:
