Незважаючи на десятиліття постійних досліджень, вчені намагаються зрозуміти, як поєднуються чотири основні сили Всесвіту. Якщо квантова механіка може пояснити, як три з цих сил працюють разом на найменших масштабах (електромагнетизм, слабкі та сильні ядерні сили), Загальна відносність пояснює, як все поводиться на найбільшій шкалі (тобто гравітації). У цьому відношенні гравітація залишається затриманою.
Щоб зрозуміти, як гравітація взаємодіє з речовиною на найменших масштабах, вчені розробили кілька справді передових експериментів. Однією з них є НАСА лабораторія «Холодний атом» (CAL), розташована на борту МКС, яка нещодавно досягла важливого етапу, створивши хмари атомів, відомі як конденсати Бозе-Ейнштейна (BEC). Це був перший раз, коли BEC були створені на орбіті і пропонують нові можливості для вивчення законів фізики.
Спочатку передбачив Satyendra Nath Bose та Альберт Ейнштейн 71 рік тому, BEC - це по суті ультрахолодні атоми, які досягають температури трохи вище абсолютного нуля, точки, в якій атоми повинні перестати рухатися повністю (теоретично). Ці частинки довговічні і точно керовані, що робить їх ідеальною платформою для вивчення квантових явищ.
В цьому полягає мета закладу CAL, який полягає у вивченні надхолодних квантових газів у мікрогравітаційному середовищі. Лабораторія була встановлена в науковій лабораторії США на борту МКС в кінці травня і є першою подібною в космосі. Він розроблений для того, щоб розвивати здатність вчених робити точні вимірювання сили тяжіння та вивчати, як вона взаємодіє з речовиною в найменших масштабах.
Як в недавньому прес-релізі пояснив Роберт Томпсон, науковець проекту CAL та фізик в лабораторії реактивного руху НАСА:
«Проведення експерименту BEC, який працює на космічній станції, - це мрія. Доїхати сюди був довгий важкий шлях, але цілком вартий боротьби, тому що ми можемо зробити з цим засобом стільки ".
Близько двох тижнів тому вчені CAL підтвердили, що установка виробляла БЕК з атомів рубідію - м'якого сріблясто-білого металевого елемента в лужній групі. Згідно з їх доповіддю, вони досягли температури на рівні 100 нанокельвін, один десяток мільйонів одного кельвіна вище абсолютного нуля (-273 ° C; -459 ° F). Це приблизно на 3 K (-270 ° C; -454 ° F) холодніше, ніж середня температура в просторі.
Через свою унікальну поведінку BEC характеризуються як п'ятий стан речовини, відмінне від газів, рідин, твердих речовин 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 приймають свій найнижчий енергетичний стан і приймають однакову хвильову ідентичність, роблячи їх невідмінними один від одного.
Коротше кажучи, атомні хмари починають поводитись як один «супер атом», а не окремі атоми, що полегшує їх вивчення. Перші ОВК були створені в лабораторії в 1995 році науковою командою, що складалася з Еріка Корнелла, Карла Вімана та Вольфганга Кеттерле, який розділив Нобелівську премію з фізики 2001 року за їх виконання. З цього часу на Землі було проведено сотні експериментів BEC, а деякі навіть були відправлені в космос на борту звукозаписних ракет.
Але CAL-центр унікальний тим, що є першим подібним видом на МКС, де вчені можуть проводити щоденні дослідження протягом тривалих періодів. Споруда складається з двох стандартизованих контейнерів, які складаються з більшого «чотирикутного шафки» та меншого «одного шафки». Квадратний шафка містить пакет фізики CAL, відсік, де CAL буде створювати хмари надхолодних атомів.
Це робиться за допомогою магнітних полів або сфокусованих лазерів для створення контейнерів без тертя, відомих як "атомні пастки". Коли атомна хмара розкладається всередині атомної пастки, її температура природним чином падає, стає холоднішою, чим довше вона залишається в пастці. На Землі, коли ці пастки вимикаються, гравітація змушує атоми знову починати рухатися, а це означає, що їх можна вивчити лише на частки секунди.
На борту МКС, що є мікрогравітаційним середовищем, БЕК можуть скасовуватися до більш холодних температур, ніж у будь-якого інструменту на Землі, і вчені можуть спостерігати за окремими ОВК протягом п’яти-десяти секунд одночасно і повторювати ці вимірювання до шести годин на день. А оскільки споруда знаходиться під управлінням віддалено від Центру операцій місій на орбітах Землі в JPL, щоденні операції не потребують втручання астронавтів на станції.
Роберт Шотвелл, головний інженер дирекції астрономії та фізики JPL, керував проектом з лютого 2017 року. Як він зазначив у недавньому прес-релізі NASA:
«CAL - надзвичайно складний інструмент. Як правило, експерименти з BEC передбачають достатню кількість обладнання для заповнення приміщення та потребують майже постійного моніторингу вчених, тоді як CAL приблизно розміром з невеликий холодильник і ним можна керувати віддалено від Землі. Це була боротьба і вимагала значних зусиль, щоб подолати всі перешкоди, необхідні для створення складного об'єкта, який працює сьогодні на космічній станції ".
Забігаючи наперед, вчені CAL хочуть піти ще далі та досягти температури, нижчої за все, що досягається на Землі. Окрім рубідію, команда CAL також працює над створенням BECS, використовуючи два різних ізотопи атомів калію. На даний момент CAL ще перебуває на стадії введення в експлуатацію, яка складається з операційної групи, яка проводить довгу серію випробувань, і визначає, як установка CAL буде працювати в мікрогравітації.
Однак, як тільки вона буде запущена, п’ять наукових груп, включаючи групи на чолі з Корнеллом та Кеттерле, протягом першого року проведуть експерименти на цьому об'єкті. Очікується, що науковий етап розпочнеться на початку вересня і триватиме три роки. Як розповів Камал Одрірі, менеджер місії JPL у галузі ліцензійних ліцензій:
«Існує команда вчених, що охоплює земну кулю, готові та раді використовувати цей інструмент. Різноманітний спектр експериментів, які вони планують провести, означає, що існує багато методів маніпулювання та охолодження атомів, які нам потрібно адаптувати для мікрогравітації, перш ніж передати інструмент головним дослідникам, щоб розпочати наукові операції ».
Враховуючи час, лабораторія «Холодний атом» (CAL) може допомогти вченим зрозуміти, як гравітація працює на найменших масштабах. У поєднанні з високоенергетичними експериментами, проведеними ЦЕРН та іншими лабораторіями фізики частинок у всьому світі, це в кінцевому підсумку може призвести до Теорії всього (ТЗ) і до повного розуміння того, як працює Всесвіт.
І не забудьте ознайомитись із цим класним відео (не каламбур!) Закладу CAL, люб’язно з NASA:
