Незважаючи на десятиліття триваючих досліджень, вчені намагаються зрозуміти, як чотири фундаментальні сили Всесвіту поєднуються один з одним. У той час як квантова механіка може пояснити, як три з цих сил діють разом у найменшому з масштабів (електромагнетизм, слабкі та сильні ядерні сили), Загальна теорія відносності пояснює, як речі поводяться в найбільшому з масштабів (тобто гравітація). У цьому відношенні гравітація залишається стрибком.
Щоб зрозуміти, як гравітація взаємодіє з матерією в найменших масштабах, вчені розробили кілька справді передових експериментів. Одним з них є NASA Лабораторія холодного атома (CAL), розташованого на борту МКС, яка нещодавно досягла віхи, створивши хмари атомів, відомі як конденсати Бозе-Ейнштейна (BEC). Це був перший випадок, коли BEC були створені на орбіті, що відкриває нові можливості для дослідження законів фізики.
Спочатку передбачувані Сатьєндрою Натом Бозе та Альбертом Ейнштейном 71 рік тому, BEC, по суті, є ультрахолодними атомами, які досягають температури трохи вище абсолютного нуля, точки, в якій атоми повинні повністю припинити рух (теоретично). Ці частинки довгоживучі і точно керовані, що робить їх ідеальною платформою для вивчення квантових явищ.
Лабораторія холодного атома (CAL), яка складається з двох стандартизованих контейнерів, які будуть встановлені на Міжнародній космічній станції. Авторство: NASA/JPL-Caltech/Тайлер Вінн
Це мета установки CAL, яка полягає в дослідженні ультрахолодних квантових газів у середовищі мікрогравітації. Лабораторія була встановлена в Науковій лабораторії США на борту МКС наприкінці травня і є першою лабораторією такого роду в космосі. Він розроблений, щоб розширити здатність вчених проводити точні вимірювання гравітації та вивчати, як вона взаємодіє з речовиною в найменших масштабах.
Як пояснив Роберт Томпсон, науковець проекту CAL і фізик з Лабораторії реактивного руху NASA. прес-реліз :
«Проведення експерименту BEC на космічній станції – це мрія. Це був довгий і важкий шлях, щоб дістатися сюди, але він цілком вартий боротьби, тому що ми можемо багато чого зробити з цим об’єктом».
Близько двох тижнів тому вчені CAL підтвердили, що установка виробляла BEC з атомів рубідію – м’якого сріблясто-білого металевого елемента лужної групи. Згідно з їхньою доповіддю, вони досягли температури всього 100 нанокельвінів, один-десять мільйонів одного Кельвіна вище абсолютного нуля (-273 °C; -459 °F). Це приблизно на 3 К (-270 °C; -454 °F) холодніше, ніж середня температура космосу.
Через їх унікальну поведінку БЕК характеризуються як п’ятий стан речовини, відмінний від газів, рідин, твердих тіл і плазми. У BEC атоми діють більше як хвилі, ніж частинки в макроскопічному масштабі, тоді як така поведінка зазвичай спостерігається лише в мікроскопічному масштабі. Крім того, всі атоми перебувають у своєму найнижчому енергетичному стані та набувають однакової хвильової ідентичності, що робить їх невідрізними один від одного.
«Фізичний пакет» у лабораторії холодного атома, де утворюються ультрахолодні хмари атомів, які називаються конденсатами Бозе-Ейнштейна. Авторство: NASA/JPL-Caltech/Тайлер Вінн
Коротше кажучи, хмари атомів починають вести себе як один «суператом», а не як окремі атоми, що полегшує їх вивчення. Перші BEC були виготовлені в лабораторії в 1995 році науковою групою, що складалася з Еріка Корнелла, Карла Вімана і Вольфганга Кеттерле, які отримали Нобелівську премію з фізики 2001 року за свої досягнення. З того часу сотні експериментів BEC були проведені на Землі, а деякі навіть були відправлені в космос на борту ракет-зондів.
Але установка CAL унікальна тим, що це перша в своєму роді на МКС, де вчені можуть проводити щоденні дослідження протягом тривалого періоду. Об’єкт складається з двох стандартизованих контейнерів, які складаються з більшого «чотирьох шафок» і меншого «одного шафки». Квадратний ящик містить фізичний пакет CAL, відділення, де CAL вироблятиме хмари ультрахолодних атомів.
Це робиться за допомогою магнітних полів або сфокусованих лазерів для створення контейнерів без тертя, відомих як «атомні пастки». Коли атомна хмара розпадається всередині атомної пастки, її температура природним чином падає, чим довше вона залишається в пастці, стає холоднішою. На Землі, коли ці пастки вимикаються, гравітація змушує атоми знову рухатися, а це означає, що їх можна вивчати лише за частки секунди.
На борту МКС, яка є середовищем мікрогравітації, BEC можуть розпаковуватися до нижчих температур, ніж будь-який інструмент на Землі, і вчені можуть спостерігати окремі BEC протягом п’яти-десяти секунд за раз і повторювати ці вимірювання до шести годин на день. А оскільки об’єктом керують дистанційно з Операційного центру орбітальних місій у JPL, повсякденні операції не потребують втручання астронавтів на борту станції.
Вчені JPL та члени команди з атомної фізики Cold Atom Lab (зліва направо) Девід Авелін, Ітан Елліот та Джейсон Вільямс. Авторство і права: NASA/JPL-Caltech
Роберт Шотвелл, головний інженер управління астрономії та фізики JPL, керує проектом з лютого 2017 року. Як він зазначив у нещодавньому NASA прес-реліз :
«CAL — надзвичайно складний інструмент. Як правило, експерименти BEC включають достатньо обладнання, щоб заповнити кімнату, і вимагають майже постійного контролю з боку вчених, тоді як CAL розміром з невеликий холодильник і може керуватися дистанційно з Землі. Це була боротьба і вимагала значних зусиль, щоб подолати всі перешкоди, необхідні для створення складної установки, яка працює на космічній станції сьогодні».
Забігаючи наперед, вчені CAL хочуть піти ще далі і досягти температур, нижчих, ніж будь-які досягнення на Землі. Окрім рубідію, команда CAL також працює над створенням BECS з використанням двох різних ізотопів атомів калію. На даний момент CAL все ще перебуває на етапі введення в експлуатацію, яка складається з операційної групи, яка проводить довгу серію випробувань, щоб побачити, як установка CAL працюватиме в умовах мікрогравітації.
Однак, як тільки він запрацює, п’ять наукових груп, включаючи групи на чолі з Корнеллом і Кеттерле, проведуть експерименти на об’єкті протягом першого року роботи. Очікується, що науковий етап розпочнеться на початку вересня і триватиме три роки. Як сказав Камал Оудрхірі, менеджер місії JPL з CAL:
«Існує команда вчених, що охоплює земну кулю, готова та схвильована використовувати цей об’єкт. Різноманітність експериментів, які вони планують провести, означає, що існує багато методів для маніпуляції та охолодження атомів, які нам потрібно адаптувати до мікрогравітації, перш ніж ми передамо інструмент головним дослідникам, щоб почати наукові операції».
З огляду на час, лабораторія холодного атома (CAL) може допомогти вченим зрозуміти, як гравітація працює в найменших масштабах. У поєднанні з високоенергетичними експериментами, проведеними CERN та іншими лабораторіями фізики елементарних частинок по всьому світу, це в кінцевому підсумку може привести до Теорії всього (ToE) і повного розуміння того, як працює Всесвіт.
І обов’язково подивіться це класне відео (без каламбуру!) про об’єкт CAL, надане NASA:
Подальше читання: НАСА
