NASA luo maailmankaikkeuden kylmimmän paikan ISS: lle
Kaikki tietävät, että tila on kylmä. Tähtien ja galaksien välisessä suuressa kuilussa kaasumaisen aineen lämpötila laskee rutiininomaisesti 3 asteeseen K tai 454 asteeseen alle Fahrenheit.
Se on tulossa vielä kylmemmäksi.
NASAn tutkijat aikovat luoda tunnetun maailmankaikkeuden kylmimmän paikansisälläKansainvälinen avaruusasema (ISS).
'Aiomme tutkia ainetta paljon kylmemmissä lämpötiloissa kuin luonnossa', sanoo Rob Thompson JPL: stä. Hän on NASAn Cold Atom Lab -projektin tutkija, atomipohjainen 'jääkaappi', joka on tarkoitus julkaista ISS: lle vuonna 2016. 'Tavoitteenamme on laskea tehokkaat lämpötilat 100 pikokelviniin.'
100 pico-Kelvin on vain yksi kymmenes miljardi asteen absoluuttisen nollan yläpuolella, missä kaikki atomien lämpöaktiivisuus teoreettisesti pysähtyy. Näin alhaisissa lämpötiloissa tavalliset kiinteän aineen, nesteen ja kaasun käsitteet eivät ole enää merkityksellisiä. Atomit, jotka ovat vuorovaikutuksessa juuri nollanergian kynnyksen yläpuolella, luovat uusia aineen muotoja, jotka ovat olennaisesti… kvantteja.
Kvanttimekaniikka on fysiikan haara, joka kuvaa valon ja aineen outoja sääntöjä atomiasteikolla. Siinä vallassa aine voi olla kahdessa paikassa kerralla; esineet käyttäytyvät sekä hiukkasina että aaltoina; eikä mikään ole varmaa: kvanttimaailma toimii todennäköisyydellä.
Cold Atom Labia käyttävät tutkijat syöksyvät tähän outoon maailmaan.
'Aloitamme', sanoo Thompson, 'tutkimalla Bose-Einsteinin kondensaatteja.'
Vuonna 1995 tutkijat havaitsivat, että jos otat muutaman miljoonan rubidiumatomin ja jäähdytät ne lähellä absoluuttista nollaa, ne sulautuvat yhdeksi aineaallona. Temppu toimi myös natriumin kanssa. Vuonna 2001 Eric Cornell National Institute of Standards & Technology -instituutista ja Carl Wieman Coloradon yliopistosta jakoivat Nobelin palkinnon MIT: n Wolfgang Ketterlen kanssa näiden kondensaattien itsenäisestä löytämisestä, jonka Albert Einstein ja Satyendra Bose olivat ennustaneet 1900 -luvun alussa. .
Jos luot kaksi BEC: tä ja yhdistät ne yhteen, ne eivät sekoitu kuin tavallinen kaasu. Sen sijaan ne voivat 'häiritä' kuin aallot: ohuet, yhdensuuntaiset ainekerrokset erotetaan ohuilla tyhjän tilan kerroksilla. Yhden BEC: n atomi voi lisätä itsensä toisen BEC: n atomiin ja tuottaa - ei yhtään atomia.
'Cold Atom Labin avulla voimme tutkia näitä kohteita ehkä kaikkien aikojen alhaisimmissa lämpötiloissa', Thompson sanoo.
Laboratorio on myös paikka, jossa tutkijat voivat sekoittaa erittäin viileitä atomikaasuja ja nähdä mitä tapahtuu. 'Eri tyyppisten atomien seokset voivat kellua melkein täysin ilman häiriöitä', selittää Thompson, 'jolloin voimme tehdä herkkiä mittauksia erittäin heikoista vuorovaikutuksista. Tämä voisi johtaa mielenkiintoisten ja uusien kvanttiilmiöiden löytämiseen. ”
Avaruusasema on paras paikka tehdä tämä tutkimus. Mikropainovoiman avulla tutkijat voivat jäähdyttää materiaalit paljon kylmempään lämpötilaan kuin maassa on mahdollista.
Thompson selittää miksi:
'Termodynamiikan perusperiaate on, että kun kaasu laajenee, se jäähtyy. Suurimmalla osalla meistä on käytännön kokemusta tästä. Jos ruiskutat aerosoleja, tölkki kylmenee. ”
Kvanttikaasut jäähdytetään suunnilleen samalla tavalla. Aerosolisäiliön sijaan meillä on kuitenkin ”magneettilukko”.
”ISS: llä nämä ansoja voidaan tehdä hyvin heikoiksi, koska niiden ei tarvitse tukea atomeja painovoimaa vastaan. Heikkojen ansojen ansiosta kaasut voivat laajentua ja jäähtyä alempaan lämpötilaan kuin maassa on mahdollista. ”
Kukaan ei tiedä mihin tämä perustutkimus johtaa. Jopa Thompsonin luettelemat 'käytännölliset' sovellukset - kvanttianturit, aineaaltointerferometrit ja atomilaserit - vain muutamia mainitaksemme - kuulostavat tieteiskirjallisuudelta. 'Menemme tuntemattomaan', hän sanoo.
Thompsonin kaltaiset tutkijat pitävät Cold Atom Labia oviaukkona kvanttimaailmaan. Voiko ovi kääntyä molempiin suuntiin? Jos lämpötila laskee tarpeeksi alas, 'voimme koota atomiaallon paketteja, jotka ovat leveitä kuin ihokarva - eli riittävän suuria ihmissilmälle.' Kvanttifysiikan olento on tullut makroskooppiseen maailmaan.
Ja sitten alkaa todellinen jännitys.