În ciuda a zeci de ani de cercetări în curs, oamenii de știință încearcă să înțeleagă modul în care cele patru forțe fundamentale ale Universului se potrivesc. În timp ce mecanica cuantică poate explica modul în care trei dintre aceste forțe lucrează împreună la cea mai mică dintre scale (electromagnetism, forțe nucleare slabe și puternice), Relativitatea generală explică modul în care lucrurile se comportă pe cea mai mare dintre scale (adică gravitația). În acest sens, gravitația rămâne dezavantajată.
Pentru a înțelege modul în care gravitația interacționează cu materia pe cea mai mică dintre scale, oamenii de știință au dezvoltat câteva experimente cu adevărat de ultimă oră. Unul dintre acestea este Cold Atom Laboratory (CAL) al NASA, situat la bordul ISS, care a atins recent un punct de reper prin crearea de nori de atomi cunoscuți sub denumirea de condensate Bose-Einstein (BEC). Aceasta a fost prima dată când BEC-urile au fost create pe orbită și oferă noi oportunități de a examina legile fizicii.
Prevazute inițial de Satyendra Nath Bose și Albert Einstein în urmă cu 71 de ani, BEC-urile sunt în esență atomi ultracold care ating temperaturi chiar peste zero absolut, punctul în care atomii ar trebui să înceteze să se miște în întregime (în teorie). Aceste particule sunt de lungă durată și sunt controlate cu precizie, ceea ce le face platforma ideală pentru studierea fenomenelor cuantice.
Acesta este scopul facilității CAL, care este de a studia gazele cuantice ultracold într-un mediu de microgravitate. Laboratorul a fost instalat în US Science Lab la bordul ISS la sfârșitul lunii mai și este primul de acest gen în spațiu. Este conceput pentru a avansa capacitatea oamenilor de știință de a face măsurători de precizie ale gravitației și de a studia modul în care interacționează cu materia la cea mai mică scară.
După cum a explicat Robert Thompson, savantul proiectului CAL și fizician la Laboratorul de Propulsie Jet de la NASA, într-un comunicat de presă:
„Un experiment BEC care operează pe stația spațială este un vis devenit realitate. A fost un drum lung și greu pentru a ajunge aici, dar merită complet lupta, pentru că vom avea atât de multe posibilitatea de a face cu această facilitate. "
Cu aproximativ două săptămâni în urmă, oamenii de știință CAL au confirmat că instalația a produs BEC-uri din atomi de rubidiu - un element metalic moale, alb argintiu din grupul alcalin. Conform raportului lor, acestea au atins temperaturi cât mai mici de 100 nanoKelvin, o zece milioane de Kelvin peste zero absolut (-273 ° C; -459 ° F). Aceasta este cu aproximativ 3 K (-270 ° C; -454 ° F) mai rece decât temperatura medie a spațiului.
Datorită comportamentului lor unic, BEC-urile sunt caracterizate ca o a cincea stare de materie, distinctă de gaze, lichide, solide și plasmă. În BEC, atomii acționează mai mult ca undele decât particulele pe scala macroscopică, în timp ce acest comportament este de obicei observabil doar pe scară microscopică. În plus, toți atomii își asumă cea mai scăzută stare energetică și preiau aceeași identitate valului, făcându-i să nu se distingă unul de celălalt.
Pe scurt, norii de atom încep să se comporte mai degrabă ca un „super atom” decât ca atomi individuali, ceea ce îi face mai ușor de studiat. Primele BEC au fost produse într-un laborator în 1995 de o echipă de știință formată din Eric Cornell, Carl Wieman și Wolfgang Ketterle, care au împărțit premiul Nobel pentru fizică din 2001 pentru realizarea lor. De atunci, sute de experimente BEC au fost efectuate pe Pământ, iar unele au fost chiar trimise în spațiu la bordul rachetelor care sună.
Dar instalația CAL este unică prin faptul că este prima de acest fel pe ISS, unde oamenii de știință pot efectua studii zilnice pe perioade lungi. Facilitatea este formată din două containere standardizate, care constau din „dulapul cu pat” mai mare și cel mai mic „vestiar”. Vestiarul quad conține pachetul fizic CAL, compartimentul în care CAL va produce nori de atomi ultra-reci.
Acest lucru se face folosind câmpuri magnetice sau lasere focalizate pentru a crea containere fără frecare cunoscute sub numele de „capcane cu atom”. Pe măsură ce norul de atom se descompune în interiorul capcanei, temperatura scade în mod natural, devenind mai rece, cu cât rămâne mai mult în capcană. Pe Pământ, când aceste capcane sunt oprite, gravitația determină ca atomii să înceapă să se miște din nou, ceea ce înseamnă că pot fi studiați doar pentru fracțiuni de secundă.
La bordul ISS, care este un mediu de microgravitate, BEC-urile se pot decomprima la temperaturi mai reci decât cu orice instrument de pe Pământ, iar oamenii de știință sunt capabili să observe BEC-uri individuale timp de cinci până la zece secunde simultan și să repete aceste măsurări până la șase ore pe zi. Și din moment ce instalația este controlată de la distanță de la Centrul de operațiune al misiunii orbitante a Pământului din JPL, operațiunile zilnice nu necesită nicio intervenție din partea astronauților la bordul stației.
Robert Shotwell, inginerul principal al direcției de astronomie și fizică a JPL, a supravegheat proiectul din februarie 2017. După cum a indicat într-un comunicat de presă recent al NASA:
„CAL este un instrument extrem de complicat. De obicei, experimentele BEC implică suficient echipament pentru a umple o cameră și necesită o monitorizare aproape constantă de către oamenii de știință, în timp ce CAL are aproximativ dimensiunea unui frigider mic și poate fi operat de la distanță de pe Pământ. A fost o luptă și a necesitat un efort semnificativ pentru a depăși toate obstacolele necesare pentru a produce instalația sofisticată care funcționează astăzi în stația spațială. "
Privind în viitor, oamenii de știință CAL doresc să meargă și mai departe și să atingă temperaturi mai mici decât orice atins pe Pământ. În plus față de rubidiu, echipa CAL lucrează, de asemenea, la crearea de BECS folosind doi izotopi diferiți de atomi de potasiu. În acest moment, CAL se află încă într-o fază de punere în funcțiune, care constă în echipa de operațiuni care efectuează o serie lungă de teste pentru a vedea modul în care instalația CAL va funcționa în microgravitate.
Cu toate acestea, odată ce acesta este în funcțiune, cinci grupuri științifice - inclusiv grupuri conduse de Cornell și Ketterle - vor efectua experimente la instalație în primul său an. Faza științifică va începe la începutul lunii septembrie și va dura trei ani. În calitate de Kamal Oudrhiri, managerul misiunii JPL pentru CAL, a spus:
„Există o echipă de oameni de știință care se întinde pe glob, gata și încântată să folosească această facilitate. Gama diversă de experimente pe care intenționează să le efectueze înseamnă că există multe tehnici pentru manipularea și răcirea atomilor la care trebuie să ne adaptăm pentru microgravitate, înainte de a trece instrumentul către investigatorii principali pentru a începe operațiunile științifice. "
În timp, Laboratorul Atomului rece (CAL) îi poate ajuta pe oamenii de știință să înțeleagă cum funcționează gravitația pe cea mai mică dintre scale. În combinație cu experimente cu energie mare realizate de CERN și de alte laboratoare de fizică a particulelor din întreaga lume, acest lucru ar putea duce în cele din urmă la o Teorie a Totului (ToE) și la o înțelegere completă a modului în care funcționează Universul.
Și asigurați-vă că vedeți și acest video minunat (fără punct de vedere!) Al instalației CAL, prin amabilitatea NASA:
