Fysikere skaber eksotisk "femte form for stof" ombord på ISS

Fysikere skaber eksotisk "femte form for stof" ombord på ISS
Fysikere skaber eksotisk "femte form for stof" ombord på ISS
Anonim

Ifølge en nylig artikel i tidsskriftet Nature har fysikere fra California Institute of Technology og Jet Propulsion Laboratory skabt en sjælden kvantetilstand, kendt som Bose-Einstein-kondensat (BEC) i rummet. Fysikere gjorde dette ved at placere et kompakt eksperimentelt setup på størrelse med et minikøleskab ombord på International Space Station (ISS). Det kaldes Cold Atom Laboratory (CAL), med andre ord "det sejeste sted i universet."

BEC er opkaldt efter Albert Einstein og den indiske fysiker Satyendra Bose, der i 1920'erne forudsagde muligheden for, at atomernes bølgede natur kunne tillade atomer at sprede sig og overlappe hinanden, hvis de var pakket tæt nok på hinanden. Ved normale temperaturer virker atomer som billardkugler, der hopper af hinanden. Lavere temperaturer reducerer deres hastighed. Hvis temperaturen bliver lav nok (milliarder af en grad over det absolutte nul), og atomerne er tæt nok pakket, kan bølger af forskellige stoffer "mærke" hinanden og koordinere sig selv, som om de var et stort "superatom".

Fysikerne Eric Cornell og Carl Wieman, der dengang ved University of Colorado's JILA lab, oprettede de første BEC'er i laboratoriet i 1995. Ved hjælp af en laserfælde afkølede de omkring 10 millioner atomer rubidiumgas; de afkølede atomer blev holdt på plads af et magnetfelt. Men atomerne var stadig ikke kolde nok til at danne en BEC, så de tilføjede et andet trin, fordampningskøling, hvor et netværk af magnetfelter er koordineret til at slå de varmeste atomer ud, så de koldere atomer kan komme tættere på hinanden. Denne proces fungerer nogenlunde på samme måde som fordampningskøling sker med din morgenkaffe kaffe - varmere atomer stiger til toppen af en magnetfælde og "springer ud" som damp.

I september 2001 havde mere end tre dusin hold gentaget forsøget. Denne opdagelse markerede begyndelsen på en helt ny gren af fysikken. BEC'er giver forskere mulighed for at udforske den underlige, lille verden af kvantefysik, som om de så på den gennem et forstørrelsesglas; BEC "forstærker" atomer på samme måde som en laser forstærker fotoner. Wiemann, Cornell og Wolfgang Ketterle delte Nobelprisen i fysik i 2001 for deres præstationer.

Det tyske eksperiment MAIUS 1 (Mother Wave Interferometry in Microgravity) skabte BEC i rummet i 2017 i løbet af en seks minutters fase af mikrogravitationsflyvning ombord på en lydende raket. Det laboratorieudstyr, der kræves til at oprette en BEC på Jorden, tager mindre end 1 m3 og kræver kun omkring 510 watt at betjene, hvilket gør det ideelt til eksperimenter på ISS. CAL -instrumentet blev installeret om bord i maj 2018. Anlægget bruger i øjeblikket rubidiumatomer til at oprette BEC'er, men der er planer om at inkludere kaliumatomer i blandingen for at studere fysikken i blandede BEC'er.

Dette er et betydeligt fremskridt, fordi BEC'er, der er skabt i rummet, varer længere end i jordbaserede laboratorier, selv efter lukkede fælder er slukket, hvilket giver fysikere lidt mere tid til at studere den eksotiske tilstand af stof - et sekund sammenlignet med brøkdele af et sekund. på jorden. Som Neil Patel forklarer i Technology Review.

For at udføre eksperimenter ved hjælp af BEC skal vi slukke eller frigive magnetfælden. Atomskyen vil ekspandere, hvilket er nyttigt, fordi BEC'er skal forblive kolde og gasser har en tendens til at afkøle, når de ekspanderer. Men hvis atomerne i BEC er for langt fra hinanden, opfører de sig ikke længere som kondens. Det er her, hvor lav jordkredsens tyngdekraft spiller ind. Hvis du forsøger at øge lydstyrken på Jorden, siger JPL-fysikeren David Evelyn, medforfatter til et nyligt papir i Nature, vil tyngdekraften simpelthen trække atomerne i midten af BEC-skyen ned til bunden af fælden, indtil de spildes ud, fordreje kondensatet eller ødelægge det fuldstændigt.

Men i mikrogravitation kan instrumenterne i CAL holde atomerne sammen, selvom fældens volumen øges. Dette gør kondensatet mere langlivet, hvilket igen gør det muligt for forskere at studere det længere end de kunne på Jorden (den første demonstration var 1,18 sekunder lang, selvom målet er at kunne udforske skyen i 10 sekunder)).

"Vi vil lave BEC -eksperimenter dagligt i mange timer om dagen," sagde Evelyn. Værktøjet er fuldt fjernbetjent. Vi kører det fra computere på Jorden."

CAL skulle oprindeligt køre i cirka et år, før reservedele var nødvendige, men astronauter på ISS - især Christina Koch - udførte kritisk vedligeholdelse for at forlænge levetiden. Værktøjet har været i drift i to hele år. De seneste forbedringer omfatter et atominterferometer, som kan bruge BEC til at måle ændringer i tyngdekraften på planetens overflade. BEC kunne også i sidste ende detektere aksioner, en teoretisk kold partikel i mørkt stof eller bruges til at finde kilder til mørk energi.

"Tidligere er vores vigtigste forståelse af naturens indre virke kommet fra partikelacceleratorer og astronomiske observatorier," sagde medforfatter Robert Thompson fra Caltech. "Jeg tror, at nøjagtige målinger ved hjælp af kolde atomer vil spille en stadig vigtigere rolle i fremtiden."

Anbefalede: