Unatoč desetljećima neprekidnog istraživanja, znanstvenici pokušavaju razumjeti kako se četiri temeljne sile Svemira spajaju zajedno. Dok kvantna mehanika može objasniti kako tri ove sile djeluju zajedno na najmanjoj ljestvici (elektromagnetizam, slabe i jake nuklearne sile), Opća relativnost objašnjava kako se stvari ponašaju na najvećoj ljestvici (tj. Gravitaciji). U tom pogledu gravitacija ostaje u zastoju.
Da bi razumjeli kako gravitacija djeluje na materiju na najsitnijim mjerilima, znanstvenici su razvili neke zaista vrhunske eksperimente. Jedan od njih je NASA-ina laboratorija za hladne atome (CAL), smještena na brodu ISS-a, koji je nedavno postigao prekretnicu stvaranjem oblaka atoma poznatih kao Bose-Einstein kondenzati (BEC). Ovo je prvi put da su BEC-ovi stvoreni u orbiti i nudi nove mogućnosti za ispitivanje zakona fizike.
Izvorno su predviđali Satyendra Nath Bose i Albert Einstein prije 71 godinu, BEC su u stvari ultrahladni atomi koji dosežu temperaturu malo iznad apsolutne nule, točka u kojoj se atomi trebaju potpuno prestati kretati (u teoriji). Te su čestice dugovječne i precizno kontrolirane, što ih čini idealnom platformom za proučavanje kvantnih pojava.
To je svrha CAL-ovog objekta, a to je proučavanje ultrahladnih kvantnih plinova u mikrogravitacijskom okruženju. Laboratorija je instalirana u američkom Science Lab-u na brodu ISS krajem svibnja i prva je takve vrste u svemiru. Dizajniran je tako da unaprijedi sposobnost znanstvenika da vrše precizna mjerenja gravitacije i proučavaju kako ona djeluje na materiju u najmanjoj mjeri.
Kao što je Robert Thompson, znanstvenik CAL projekta i fizičar u NASA-inom laboratoriju za mlazni pogon, objasnio u nedavnom priopćenju za javnost:
„Izvršiti BEC eksperiment na svemirskoj stanici ostvarenje snova. Ovdje je bio dug i težak put, ali u potpunosti se isplati boriti, jer toliko ćemo stvari moći učiniti s tim objektom. "
Prije otprilike dva tjedna, znanstvenici s CAL-a potvrdili su da je objekt proizveo BEC-ove iz atoma rubidija - mekog, srebrno bijelog metalnog elementa u alkalnoj skupini. Prema njihovom izvještaju, postigli su temperaturu kao niži od 100 nanoKelvina, deset milijuna milijuna Kelvina iznad apsolutne nule (-273 ° C; -459 ° F). Ovo je otprilike 3 K (-270 ° C; -454 ° F) hladnije od prosječne temperature prostora.
Zbog svog jedinstvenog ponašanja, BEC se karakteriziraju kao peto stanje materije, različito od plinova, tekućina, krutih tvari i plazme. U BEC atomi djeluju više poput valova nego čestica na makroskopskoj ljestvici, dok je takvo ponašanje obično promatrano samo na mikroskopskoj skali. Pored toga, svi atomi preuzimaju svoje stanje s najnižom energijom i poprimaju isti valni identitet, čineći ih nerazdvojnim jedan od drugog.
Ukratko, atomski oblaci počinju se ponašati poput jednog "super atoma", a ne pojedinačnih atoma, što ih olakšava u proučavanju. Prvi BEC-ovi proizveli su u laboratoriju 1995. godine znanstveni tim koji su činili Eric Cornell, Carl Wieman i Wolfgang Ketterle, koji su podijelili Nobelovu nagradu za fiziku 2001. za njihovo postignuće. Od tog vremena na Zemlji su provedene stotine BEC eksperimenata, a neki su čak poslani u svemirske zrakoplove.
No, CAL-ov objekt jedinstven je po tome što je prvi takve vrste na ISS-u gdje znanstvenici mogu provoditi svakodnevne studije u dužim razdobljima. Postrojenje se sastoji od dva standardizirana spremnika koja se sastoje od većeg „četverostrukog ormarića“ i manjeg „jednog ormara“. Quad ormarić sadrži CAL-ov fizički paket, odjeljak u kojem će CAL stvoriti oblake ultra-hladnih atoma.
To se postiže korištenjem magnetskih polja ili fokusiranih lasera za stvaranje spremnika bez trenja koji su poznati kao "atomske zamke". Kako se atomski oblak dekomprimira unutar zamke atoma, njegova temperatura prirodno pada, postajući hladnija što duže ostaje u zamci. Na Zemlji, kad su ove zamke isključene, gravitacija uzrokuje da se atomi ponovo kreću, što znači da ih se može proučiti samo u djeliću sekunde.
U brodu ISS, koji je mikrogravitacijsko okruženje, BEC-ovi se mogu dekomprimirati na hladnije temperature nego kod bilo kojeg instrumenta na Zemlji, a znanstvenici su u mogućnosti promatrati pojedinačne BEC-ove pet do deset sekundi istovremeno i ponavljati ta mjerenja do šest sati dnevno. A budući da se objektom upravlja daljinski iz operativnog centra Zemlje u orbiti oko misija u JPL, svakodnevne operacije ne zahtijevaju intervencije astronauta na brodu.
Robert Shotwell, glavni inženjer JPL-ove uprave za astronomiju i fiziku, nadgledao je projekt od veljače 2017. Kao što je naveo u nedavnom priopćenju za NASA:
„CAL je izuzetno kompliciran instrument. Obično BEC eksperimenti uključuju dovoljno opreme za punjenje prostorije i zahtijevaju gotovo stalni nadzor znanstvenika, dok je CAL približno veličine malog hladnjaka i njime se može upravljati udaljeno sa Zemlje. Bila je to borba i zahtijevao je značajne napore da se savladaju sve prepreke potrebne za proizvodnju sofisticiranog objekta koji danas djeluje na svemirskoj stanici. "
Gledajući unaprijed, znanstvenici iz CAL-a žele još više i postići temperature niže od bilo čega postignutog na Zemlji. Pored rubidijuma, CAL tim također radi na izradi BECS-ova koristeći dva različita izotopa kalijevih atoma. Trenutno je CAL još uvijek u fazi puštanja u rad, koja se sastoji od operativnog tima koji provodi dugi niz testova kako bi utvrdio kako će CAL pogon djelovati u mikrogravitaciji.
Međutim, nakon što se pokrene, pet znanstvenih skupina - uključujući skupine na čelu s Cornellom i Ketterleom - provest će eksperimente u postrojenju tijekom prve godine. Očekuje se da će faza znanosti započeti početkom rujna i trajat će tri godine. Kako je to rekao Kamal Oudrhiri, voditelj misije JPL-a za CAL:
"Postoji zemaljski tim znanstvenika koji je spreman i uzbuđen koristiti ovu ustanovu. Raznovrsni spektar eksperimenata koje planiraju izvesti znači da postoji mnogo tehnika za manipuliranje i hlađenje atoma koje moramo prilagoditi za mikrogravitaciju, prije nego što instrument predamo glavnim istraživačima za početak znanstvenih operacija. "
S obzirom na vrijeme, laboratorij Cold Atom (CAL) može pomoći znanstvenicima da shvate kako gravitacija djeluje na najsitnije vage. U kombinaciji s visokoenergetskim eksperimentima koje su proveli CERN i drugi laboratoriji za fiziku čestica širom svijeta, to bi na kraju moglo dovesti do Teorije svega (ToE) i potpunog razumijevanja kako Svemir funkcionira.
Provjerite i ovaj videozapis CAL-a (bez probijanja!) Ljubaznosti NASA-e:
