Huolimatta vuosikymmenien ajan käynnissä olevasta tutkimuksesta, tutkijat yrittävät ymmärtää kuinka universumin neljä perusvoimaa sopivat yhteen. Kun kvantimekaniikka voi selittää kuinka nämä kolme voimaa asiat toimivat yhdessä pienimmissä asteikoissa (sähkömagneettisuus, heikot ja voimakkaat ydinvoimat), yleinen suhteellisuussuhde selittää kuinka asiat käyttäytyvät suurimmissa asteikoissa (ts. Painovoima). Tässä suhteessa painovoima pysyy pidätyksenä.
Ymmärtääkseen, kuinka painovoima vuorovaikutuksessa aineen kanssa pienimmissä asteikoissa, tutkijat ovat kehittäneet joitain todella huipputeknisiä kokeita. Yksi näistä on ISS: llä sijaitseva NASA: n kylmäatomien laboratorio (CAL), joka saavutti äskettäin virstanpylvään luomalla Bose-Einsteinin kondensaatteina (BEC) tunnettuja atomipilviä. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun BEC: t luotiin kiertoradalla, ja tarjoaa uusia mahdollisuuksia koettaa fysiikan lakeja.
Alun perin Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein ennustettiin 71 vuotta sitten, BEC: t ovat oleellisesti ultrakehyisiä atomeja, joiden lämpötila saavuttaa hieman absoluuttisen nollan yläpuolella, pisteessä, jossa atomien pitäisi lopettaa liikkuminen kokonaan (teoriassa). Nämä hiukkaset ovat pitkäikäisiä ja tarkasti hallittuja, mikä tekee niistä ihanteellisen alustan kvantti-ilmiöiden tutkimiseen.
Tämä on CAL-välineen tarkoitus, jonka tarkoituksena on tutkia ultrakertaisia kvanttikaasuja mikrogravitaatioympäristössä. Laboratorio asennettiin Yhdysvaltain tiedelaboratorioon ISS: n toukokuun lopulla, ja se on ensimmäinen laatuaan avaruudessa. Se on suunniteltu edistämään tutkijoiden kykyä tehdä tarkkoja mittauksia painovoimasta ja tutkia kuinka se vuorovaikuttaa aineen kanssa pienimmissä mittakaavoissa.
Kuten CAL-projektin tutkija ja fyysikko NASA: n Jet-propulsiolaboratoriossa Robert Thompson selitti äskettäisessä lehdistötiedotteessa:
”BEC-kokeilu, joka toimii avaruusasemalla, on unelma. Täälle on ollut pitkä, vaikea tie, mutta täysin vaivan arvoista, koska meillä on niin paljon, mitä voimme tehdä tämän laitoksen kanssa. "
Noin kaksi viikkoa sitten CAL-tutkijat vahvistivat, että laitos oli tuottanut BEC-yhdisteitä rubidiumiatomeista - pehmeä, hopeanvalkoinen metallielementti alkaliryhmässä. Heidän raporttinsa mukaan he olivat saavuttaneet niinkin alhaiset lämpötilat kuin 100 nanokelviniä, yksi kymmenen miljoonaa yhdestä kelvinistä absoluuttisen nollan yläpuolella (-273 ° C; -459 ° F). Tämä on noin 3 K (-270 ° C; -454 ° F) kylmempi kuin tilan keskilämpötila.
Ainutlaatuisen käyttäytymisensä takia BEC: t ovat karakterisoitu viidenneksi ainetilaksi, joka eroaa kaasuista, nesteistä, kiintoaineista ja plasmasta. BEC: ssä atomit toimivat enemmän kuin aallot kuin hiukkaset makroskooppisessa mittakaavassa, kun taas tämä käyttäytyminen on yleensä havaittavissa vain mikroskooppisessa mittakaavassa. Lisäksi kaikki atomit omaksuvat alhaisimman energiatilansa ja saavat saman aallon identiteetin, mikä tekee niistä erottamattomia toisistaan.
Lyhyesti sanottuna, atomipilvet alkavat käyttäytyä kuin yksi “superatomi” kuin yksittäiset atomit, mikä tekee niistä helpomman tutkia. Ensimmäiset BEC: t tuotti laboratoriossa vuonna 1995 tiederyhmä, joka koostui Eric Cornellista, Carl Wiemanista ja Wolfgang Ketterlestä, jotka jakoivat saavutuksestaan vuoden 2001 Nobel-palkinnon. Siitä lähtien maapallolla on tehty satoja BEC-kokeita, ja osa niistä on jopa lähetetty avaruuteen luotainrakettien aluksella.
Mutta CAL-laitos on ainutlaatuinen siinä mielessä, että se on ensimmäinen laatuaan ISS: ssä, jossa tutkijat voivat tehdä päivittäisiä tutkimuksia pitkiä aikoja. Laitos koostuu kahdesta standardisoidusta kontista, jotka koostuvat suuremmasta ”quad locker” ja pienempi “single locker”. Nelilukko sisältää CAL: n fysiikkapaketin, lokeron, josta CAL tuottaa erittäin kylmiä atomeja sisältäviä pilviä.
Tämä tehdään käyttämällä magneettikenttiä tai keskitettyjä lasereita kitkattomien säiliöiden, joita kutsutaan ”atomilukkoiksi”, luomiseksi. Kun atomipilvi purkaa atomilukon sisällä, sen lämpötila laskee luonnollisesti, muuttuen kylmemmäksi, mitä kauemmin se pysyy loukussa. Maapallolla, kun nämä ansoja suljetaan, painovoima saa atomit liikkumaan uudelleen, mikä tarkoittaa, että niitä voidaan tutkia vain sekunnin murto-osina.
ISS: n, joka on mikropainoinen ympäristö, päällä BEC: t voivat puristua kylmempiin lämpötiloihin kuin millään muulla maapallolla olevalla laitteella, ja tutkijat pystyvät tarkkailemaan yksittäisiä BEC: itä viidestä kymmeneen sekuntia kerrallaan ja toistamaan nämä mittaukset jopa kuuden tunnin ajan päivässä. Ja koska laitosta ohjataan etäällä JPL: n Maan kiertävien operaatioiden operaatiokeskuksesta, päivittäiset operaatiot eivät vaadi astronautien aseman asemasta puuttumista.
Robert Shotwell, JPL: n tähtitieteen ja fysiikan osaston pääinsinööri, on valvonyt hanketta helmikuusta 2017 lähtien. Kuten hän totesi äskettäisessä NASA: n lehdistötiedotteessa:
”CAL on erittäin monimutkainen instrumentti. Tyypillisesti BEC-kokeisiin sisältyy tarpeeksi laitteita huoneen täyttämiseksi ja tutkijat vaativat melkein jatkuvaa seurantaa, kun taas CAL on pienen jääkaapin kokoinen ja sitä voidaan käyttää etäällä maasta. Se oli taistelu ja vaati huomattavia ponnisteluja kaikkien esteiden voittamiseksi, joita tarvitaan nykyaikaisen avaruusasemalla toimivan hienostuneen laitoksen tuottamiseksi. "
Katse eteenpäin, CAL-tutkijat haluavat mennä vielä pidemmälle ja saavuttaa lämpötilat, jotka ovat alhaisemmat kuin mikään maapallolla saavutettu. Rubidiumin lisäksi CAL-ryhmä pyrkii myös tekemään BECS-molekyylejä käyttämällä kahta erilaista kaliumiatomien isotooppia. CAL on tällä hetkellä vielä käyttöönottovaiheessa, joka koostuu operaatioryhmästä, joka suorittaa pitkän testisarjan nähdäkseen, kuinka CAL-laite toimii mikropainolla.
Sen jälkeen kun viisi tiederyhmää - mukaan lukien Cornellin ja Ketterlen johtamat ryhmät - suorittaa kokeiluja laitoksessa ensimmäisen vuoden aikana - sen jälkeen kun se on käynnissä. Tiedevaiheen odotetaan alkavan syyskuun alussa ja kestävän kolme vuotta. Kuten JPL: n CAL-operaation johtaja Kamal Oudrhiri sanoi:
”Siellä on maailmanlaajuinen tutkijaryhmä, joka on valmis ja innostunut käyttämään tätä laitetta. Heidän suunnittelemansa monimuotoinen kokeilu tarkoittaa, että atomien manipuloimiseksi ja jäähdyttämiseksi on monia tekniikoita, joita meidän on mukautettava mikropainoisuutta varten, ennen kuin siirrämme instrumentin päätutkijoille tieteellisten toimintojen aloittamiseksi. "
Tietyn ajan kuluessa Cold Atom Lab (CAL) saattaa auttaa tutkijoita ymmärtämään, kuinka painovoima toimii pienimmillä vaakoilla. Yhdistettynä CERN: n ja muiden hiukkasfysiikan laboratorioiden ympäri maailmaa tekemiin korkeaenergisiin kokeisiin, tämä voisi lopulta johtaa kaiken teoriaan ja täydelliseen ymmärrykseen maailmankaikkeuden toiminnasta.
Ja muista katsoa myös tämä hieno video (ei pun!) CAL-laitteesta, NASA: n suositteluna:
