Kljub desetletjem nenehnih raziskav znanstveniki poskušajo razumeti, kako se štiri temeljne sile vesolja združujejo. Medtem ko kvantna mehanika lahko razloži, kako tri od teh sil delujejo skupaj na najmanjši lestvici (elektromagnetizem, šibke in močne jedrske sile), Splošna relativnost pojasnjuje, kako se stvari obnašajo na največji lestvici (tj. Gravitaciji). V tem pogledu gravitacija ostaja prikrajšana.
Znanstveniki so razvili nekaj resnično vrhunskih eksperimentov, da bi razumeli, kako gravitacija medsebojno vpliva na snov na najmanjši lestvici. Ena izmed njih je Nasin laboratorij za hladne atome (CAL), ki se nahaja na krovu ISS, ki je pred kratkim dosegel mejnik z ustvarjanjem oblakov atomov, znanih kot Bose-Einstein kondenzati (BEC). To je bilo prvič, da so BEC nastali v orbiti in nudi nove priložnosti za preizkušanje zakonov fizike.
Prvotno sta jih napovedala Satyendra Nath Bose in Albert Einstein pred 71 leti, BEC so v bistvu ultrahladni atomi, ki dosežejo temperaturo tik nad absolutno ničlo, točko, ko bi se morali atomi nehati v celoti premikati (v teoriji). Ti delci so dolgoživi in natančno nadzorovani, zaradi česar so idealna platforma za preučevanje kvantnih pojavov.
To je namen objekta CAL, ki je preučiti ultra hladne kvantne pline v mikrogravitacijskem okolju. Laboratorij je bil nameščen v ameriškem znanstvenem laboratoriju na krovu ISS konec maja in je prvi te vrste v vesolju. Zasnovan je tako, da napreduje zmožnost znanstvenikov, da natančno merijo gravitacijo in preučijo, kako deluje na materijo na najmanjši lestvici.
Kot je v nedavnem sporočilu za javnost pojasnil Robert Thompson, znanstvenik projekta CAL in fizik iz Nasinega laboratorija za reaktivni pogon:
"Izvedba BEC eksperimenta na vesoljski postaji je sanje. Dolgo je bilo težko priti sem, toda v celoti se je vredno boriti, ker bomo s tem objektom naredili toliko. "
Pred približno dvema tednoma so znanstveniki CAL potrdili, da je naprava proizvedla BEC iz atomov rubidija - mehkega, srebrno belega kovinskega elementa v alkalni skupini. Po njihovem poročilu so dosegli temperature kot 100 nanoKelvina, deset milijonov enega Kelvina nad absolutno ničlo (-273 ° C; -459 ° F). To je približno 3 K (-270 ° C; -454 ° F) hladnejše od povprečne temperature prostora.
Zaradi edinstvenega vedenja so BEC značilni kot peto stanje snovi, ločeno od plinov, tekočin, trdnih snovi in plazme. V BEC atomi delujejo bolj kot valovi kot delci na makroskopski lestvici, medtem ko je takšno vedenje običajno opaziti le na mikroskopski lestvici. Poleg tega vsi atomi prevzamejo svoje najnižje energijsko stanje in prevzamejo isto valovno identiteto, zaradi česar se med seboj ne ločijo.
Skratka, atomski oblaki se začnejo obnašati kot en sam "super atom" in ne kot posamezni atomi, kar jih olajša. Prve BEC je leta 1995 v laboratoriju izdelala znanstvena skupina, ki so jo sestavljali Eric Cornell, Carl Wieman in Wolfgang Ketterle, ki so si leta 2001 podelili Nobelovo nagrado za fiziko. Od takrat je bilo na Zemlji izvedenih sto poskusov BEC, nekateri pa so bili celo poslani v vesolje na sondirne rakete.
Toda objekt CAL je edinstven po tem, da je prvi te vrste na ISS, kjer lahko znanstveniki vsakodnevno izvajajo vsakodnevne študije. Objekt je sestavljen iz dveh standardiziranih zabojnikov, ki sta sestavljena iz večjega "štirikolesne omarice" in manjše "enojne omarice". Škatla za štirikolesnike vsebuje paket fizike CAL, predel, kjer bo CAL ustvaril oblake ultra hladnih atomov.
To dosežemo z uporabo magnetnih polj ali fokusiranih laserjev za ustvarjanje posod brez trenja, znanih kot "atom pasti". Ko se atomski oblak razkroji v atomski pasi, se njegova temperatura naravno spusti, hladnejša je dlje, ko ostane v pasti. Na Zemlji, ko se te pasti izklopijo, gravitacija povzroči, da se atomi spet začnejo premikati, kar pomeni, da jih je mogoče proučiti le za delčke sekunde.
Na krovu ISS, ki je mikrogravitacijsko okolje, se BEC lahko razpustijo na hladnejše temperature kot pri katerem koli instrumentu na Zemlji in znanstveniki lahko posamezne BEC opazujejo pet do deset sekund hkrati in te meritve ponavljajo do šest ur na dan. In ker je objekt nadzorovan na daljavo od operacijskega centra misij za orbitiranje Zemlje v JPL, za vsakodnevne operacije ni treba posredovati astronavtov na postaji.
Robert Shotwell, glavni inženir direktorata za astronomijo in fiziko podjetja JPL, je projekt nadzoroval od februarja 2017. Kot je navedel v nedavnem sporočilu za NASA:
„CAL je izjemno zapleten instrument. Običajno poskusi BEC vključujejo dovolj opreme, da napolnijo sobo in zahtevajo skoraj stalno spremljanje znanstvenikov, medtem ko je CAL približno velikost majhnega hladilnika in ga je mogoče upravljati na daljavo z Zemlje. Bil je boj in zahtevati veliko truda, da bi premagali vse ovire, potrebne za izdelavo prefinjenega objekta, ki danes deluje na vesoljski postaji. "
Če pogledamo naprej, želijo znanstveniki CAL iti še dlje in doseči temperature, ki so nižje od vsega, kar smo dosegli na Zemlji. Poleg rubidija si ekipa CAL prizadeva tudi za izdelavo BECS, ki uporabljajo dva različna izotopa kalijevih atomov. Trenutno je CAL še vedno v fazi zagona, ki ga sestavlja operativna skupina, ki izvaja dolg niz preskusov, in ugotovila, kako bo objekt CAL deloval v mikrogravitaciji.
Ko pa se bo začelo delovati, bo pet znanstvenih skupin - vključno s skupinama pod vodstvom Cornela in Ketterle - v prvem letu izvedlo poskuse v obratu. Znanstvena faza naj bi se začela v začetku septembra in bo trajala tri leta. Kot je povedal Kamal Oudrhiri, vodja misije JPL za CAL:
"Obstaja skupina znanstvenikov, ki se razteza po vsem svetu, pripravljena in navdušena nad uporabo te ustanove. Raznolik spekter poskusov, ki ga nameravajo izvesti, pomeni, da obstaja veliko tehnik za manipulacijo in hlajenje atomov, ki jih moramo prilagoditi za mikrogravitacijo, preden bomo instrument predali glavnim preiskovalcem za začetek znanstvenih operacij. "
V določenem času lahko laboratorij Cold Atom (CAL) pomaga znanstvenikom, da razumejo, kako gravitacija deluje na najtanjše lestvice. V kombinaciji z visokoenergetskimi eksperimenti, ki jih izvajajo CERN in drugi laboratoriji za fiziko delcev po vsem svetu, bi to lahko sčasoma pripeljalo do Teorije vsega (ToE) in popolnega razumevanja, kako deluje Vesolje.
Oglejte si tudi ta kul video (brez kazen!) Objekta CAL tudi z dovoljenjem NASA:
