Несмотря на десятилетия непрерывных исследований, ученые пытаются понять, как четыре фундаментальные силы Вселенной сочетаются друг с другом. В то время как квантовая механика может объяснить, как три из этих сил взаимодействуют друг с другом в самых маленьких масштабах (электромагнетизм, слабые и сильные ядерные силы), общая теория относительности объясняет, как вещи ведут себя в самых больших масштабах (то есть гравитации). В этом отношении гравитация остается сдерживающим фактором.
Чтобы понять, как гравитация взаимодействует с веществом в самых мелких масштабах, ученые разработали несколько действительно передовых экспериментов. Одной из них является Лаборатория холодного атома НАСА (CAL), расположенная на борту МКС, которая недавно достигла вехи, создав облака атомов, известные как конденсаты Бозе-Эйнштейна (BEC). Это был первый раз, когда БЭК были созданы на орбите, и предлагает новые возможности для изучения законов физики.
Первоначально предсказанные Сатьендрой Нат Бозе и Альбертом Эйнштейном 71 год назад, БЭК являются по существу ультрахолодными атомами, которые достигают температуры чуть выше абсолютного нуля, точки, в которой атомы должны полностью прекратить движение (теоретически). Эти частицы являются долгоживущими и точно контролируемыми, что делает их идеальной платформой для изучения квантовых явлений.
Это цель установки CAL, которая заключается в исследовании ультрахолодных квантовых газов в условиях микрогравитации. Лаборатория была установлена в американской научной лаборатории на борту МКС в конце мая и является первой в своем роде в космосе. Он предназначен для повышения способности ученых проводить точные измерения силы тяжести и изучать, как она взаимодействует с веществом в самых маленьких масштабах.
Роберт Томпсон, исследователь проекта CAL и физик из Лаборатории реактивного движения НАСА, объяснил в недавнем пресс-релизе:
«Проведение эксперимента BEC на космической станции - это воплощение мечты. Это был долгий и трудный путь, но он того стоил, потому что мы так много сможем сделать с этим объектом ».
Около двух недель назад ученые CAL подтвердили, что на объекте производились БЭК из атомов рубидия - мягкого серебристо-белого металлического элемента в щелочной группе. Согласно их отчету, они достигли таких низких температур, как 100 наноКельвин, что на десять миллионов на один Кельвин выше абсолютного нуля (-273 ° C; -459 ° F). Это примерно на 3 К (-270 ° C; -454 ° F) холоднее, чем средняя температура в космосе.
Из-за своего уникального поведения BEC характеризуются как пятое состояние вещества, отличное от газов, жидкостей, твердых тел и плазмы. В БЭК атомы действуют скорее как волны, чем частицы в макроскопическом масштабе, тогда как такое поведение обычно наблюдается только в микроскопическом масштабе. Кроме того, все атомы принимают самое низкое энергетическое состояние и принимают одну и ту же волновую идентичность, что делает их неотличимыми друг от друга.
Короче говоря, атомные облака начинают вести себя как один «суператом», а не как отдельные атомы, что облегчает их изучение. Первые BEC были созданы в лаборатории в 1995 году научной группой, состоящей из Эрика Корнелла, Карла Вимана и Вольфганга Кеттерле, которые разделили Нобелевскую премию по физике 2001 года за свои достижения. С того времени на Земле были проведены сотни экспериментов BEC, а некоторые даже были отправлены в космос на борту зондирующих ракет.
Но объект CAL уникален тем, что он является первым в своем роде на МКС, где ученые могут проводить ежедневные исследования в течение длительных периодов времени. Средство состоит из двух стандартизированных контейнеров, которые состоят из большего «четырехместного шкафчика» и меньшего «одного шкафчика». Четырехместный шкафчик содержит физический пакет CAL, отсек, в котором CAL будет производить облака ультрахолодных атомов.
Это делается с помощью магнитных полей или сфокусированных лазеров для создания контейнеров без трения, известных как «ловушки атомов». Когда атомное облако распаковывается внутри атомной ловушки, его температура естественным образом падает, становясь холоднее, чем дольше он остается в ловушке. На Земле, когда эти ловушки отключены, гравитация заставляет атомы снова начать двигаться, а это значит, что их можно изучать только доли секунды.
На борту МКС, которая является микрогравитационной средой, БЭК могут распаковываться до более низких температур, чем при использовании любого прибора на Земле, и ученые могут наблюдать за отдельными БЭК в течение пяти-десяти секунд за один раз и повторять эти измерения до шести часов в день. А поскольку управление объектом осуществляется дистанционно из Операционного центра орбитальных миссий Земли в JPL, ежедневные операции не требуют вмешательства космонавтов на борту станции.
Роберт Шотвелл, главный инженер Управления астрономии и физики JPL, курировал проект с февраля 2017 года. Как он указал в недавнем пресс-релизе НАСА:
«CAL - чрезвычайно сложный инструмент. Как правило, эксперименты BEC включают достаточно оборудования, чтобы заполнить комнату и требуют почти постоянного контроля со стороны ученых, тогда как CAL размером с небольшой холодильник и может управляться удаленно с Земли. Это была борьба, и потребовались значительные усилия для преодоления всех препятствий, необходимых для создания современного комплекса, который сегодня работает на космической станции ».
Заглядывая в будущее, ученые CAL хотят пойти еще дальше и достичь температур, которые ниже, чем когда-либо было достигнуто на Земле. В дополнение к рубидию команда CAL также работает над созданием BECS с использованием двух разных изотопов атомов калия. В настоящее время CAL все еще находится на этапе ввода в эксплуатацию, который состоит из оперативной группы, проводящей длинный цикл испытаний, чтобы увидеть, как объект CAL будет работать в условиях микрогравитации.
Однако, как только он будет запущен, пять научных групп, включая группы во главе с Корнеллом и Кеттерле, будут проводить эксперименты на объекте в течение первого года. Ожидается, что научный этап начнется в начале сентября и продлится три года. Как сказал Камал Одрири, руководитель миссии JPL для CAL:
«Существует глобальная команда ученых, готовых и взволнованных, чтобы использовать это средство. Разнообразный спектр экспериментов, которые они планируют провести, означает, что существует множество методов для манипулирования атомами и их охлаждения, которые нам необходимо адаптировать для микрогравитации, прежде чем мы передадим инструмент основным исследователям для начала научных исследований ».
Со временем Лаборатория холодного атома (CAL) может помочь ученым понять, как гравитация работает в самых маленьких масштабах. В сочетании с экспериментами с высокой энергией, проведенными ЦЕРН и другими лабораториями физики элементарных частиц по всему миру, это может в конечном итоге привести к Теории Всего (ТЭ) и полному пониманию того, как работает Вселенная.
И обязательно ознакомьтесь с этим классным видео (без каламбура!) Об объекте CAL, любезно предоставленном НАСА:
