Laboratorium zimnych atomów NASA wyznacza scenę dla chemii kwantowej w kosmosie
Zdalnie sterowany obiekt na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej stworzył kolejne narzędzie, które naukowcy mogą wykorzystać do zbadania fundamentalnej natury otaczającego nas świata. Po raz pierwszy w kosmosie naukowcy wyprodukowali gaz kwantowy zawierający dwa rodzaje atomów. Osiągnięcie to, dokonane w Laboratorium Zimnych Atomów NASA na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, stanowi kolejny krok w kierunku przeniesienia technologii kwantowych dostępnych obecnie tylko na Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Narzędzia kwantowe są już wykorzystywane we wszystkim, od telefonów komórkowych, przez GPS, po urządzenia medyczne. W przyszłości mogą one zostać wykorzystane do ulepszenia badań planet, w tym naszej własnej, i pomóc w rozwiązaniu tajemnic wszechświata, jednocześnie pogłębiając nasze zrozumienie podstawowych praw natury. Nowa praca, wykonywana zdalnie przez naukowców na Ziemi, została opisana w wydaniu czasopisma Nature z 16 listopada. Dzięki nowym możliwościom, Laboratorium Zimnego Atomu może teraz badać nie tylko właściwości kwantowe poszczególnych atomów, ale także chemię kwantową, która koncentruje się na tym, jak różne typy atomów oddziałują i łączą się ze sobą w stanie kwantowym. Naukowcy będą mogli przeprowadzać szerszy zakres eksperymentów za pomocą Cold Atom Lab i dowiedzieć się więcej o niuansach wykonywania ich w warunkach mikrograwitacji. Wiedza ta będzie niezbędna do wykorzystania jedynego w swoim rodzaju obiektu do opracowania nowych kosmicznych technologii kwantowych. Świat fizyczny wokół nas zależy od tego, czy atomy i cząsteczki pozostają ze sobą powiązane zgodnie z ustalonym zestawem reguł. Jednak różne zasady mogą dominować lub słabnąć w zależności od środowiska, w którym znajdują się atomy i cząsteczki - na przykład mikrograwitacji. Naukowcy korzystający z Cold Atom Lab badają scenariusze, w których kwantowa natura atomów dominuje ich zachowanie. Na przykład, zamiast zachowywać się jak stałe kule bilardowe, atomy i cząsteczki zachowują się bardziej jak fale. W jednym z tych scenariuszy atomy w dwu- lub trójatomowych cząsteczkach mogą pozostać związane ze sobą, ale coraz bardziej oddalać się od siebie, prawie tak, jakby cząsteczki stawały się puszyste. Aby zbadać te stany, naukowcy muszą najpierw spowolnić atomy. Robią to, schładzając je do ułamków stopnia powyżej najniższej temperatury, jaką może osiągnąć materia, znacznie zimniejszej niż cokolwiek występującego w naturalnym wszechświecie: zero absolutne, czyli minus 459 stopni Fahrenheita (minus 273 stopnie Celsjusza). Fizycy stworzyli te puszyste cząsteczki w eksperymentach z zimnymi atomami na ziemi, ale są one niezwykle kruche i albo szybko się rozpadają, albo zapadają z powrotem do normalnego stanu molekularnego. Z tego powodu powiększone cząsteczki z trzema atomami nigdy nie zostały bezpośrednio zobrazowane. W mikrograwitacji stacji kosmicznej kruche cząsteczki mogą istnieć dłużej i potencjalnie stać się większe, więc fizycy są podekscytowani rozpoczęciem eksperymentów z nowymi możliwościami Cold Atom Lab. Tego typu cząsteczki prawdopodobnie nie występują w naturze, ale możliwe jest, że można je wykorzystać do stworzenia czułych detektorów, które mogą na przykład ujawniać subtelne zmiany siły pola magnetycznego lub inne zakłócenia, które powodują ich rozpad lub zapadanie się. "To, co robimy z nauką o zimnych atomach w ogóle, to szukanie i poznawanie nowych narzędzi, które daje nam natura" - powiedział Jason Williams z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Południowej Kalifornii, naukowiec projektu Cold Atom Lab i współautor nowego badania. "To tak, jakbyśmy odkryli młotek i dopiero zaczynali badać wszystkie sposoby jego wykorzystania". Jednym z możliwych sposobów wykorzystania gazu kwantowego z dwoma rodzajami atomów byłoby przetestowanie czegoś, co nazywa się zasadą równoważności, która utrzymuje, że grawitacja wpływa na wszystkie obiekty w ten sam sposób, niezależnie od ich masy. Jest to zasada, którą wielu nauczycieli fizyki demonstruje, umieszczając piórko i młotek w zamkniętej komorze próżniowej i pokazując, że przy braku tarcia powietrza oba spadają w tym samym tempie. W 1971 roku astronauta misji Apollo 15, David Scott, przeprowadził ten eksperyment na powierzchni Księżyca bez użycia komory próżniowej. Korzystając z instrumentu zwanego interferometrem atomowym, naukowcy przeprowadzili już eksperymenty na Ziemi, aby sprawdzić, czy zasada równoważności jest prawdziwa w skali atomowej. Używając gazu kwantowego z dwoma rodzajami atomów i interferometru w mikrograwitacji stacji kosmicznej, mogliby przetestować tę zasadę z większą precyzją niż jest to możliwe na Ziemi. W ten sposób mogliby dowiedzieć się, czy istnieje punkt, w którym grawitacja nie traktuje całej materii jednakowo, wskazując, że ogólna teoria względności Alberta Einsteina zawiera niewielki błąd, który może mieć poważne konsekwencje. Zasada równoważności jest częścią ogólnej teorii względności, stanowiącej podstawę współczesnej fizyki grawitacyjnej, która opisuje zachowanie dużych obiektów, takich jak planety i galaktyki. Jednak główną zagadką współczesnej fizyki jest to, dlaczego prawa grawitacji wydają się nie pasować do praw fizyki kwantowej, które opisują zachowanie małych obiektów, takich jak atomy. Prawa obu dziedzin okazały się wielokrotnie poprawne w ich odpowiednich obszarach wielkości, ale fizycy nie byli w stanie połączyć ich w jeden opis wszechświata jako całości. Poszukiwanie cech grawitacji niewyjaśnionych przez teorię Einsteina jest jednym ze sposobów poszukiwania środków unifikacji. Naukowcy mają już pomysły, aby wyjść poza testowanie fundamentalnej fizyki w mikrograwitacji w laboratorium Cold Atom Lab. Zaproponowali również eksperymenty kosmiczne, które mogłyby wykorzystywać interferometr dwuatomowy i gazy kwantowe do pomiaru grawitacji z dużą precyzją w celu poznania natury ciemnej energii, tajemniczego czynnika stojącego za przyspieszającą ekspansją wszechświata. To, czego się dowiedzą, może doprowadzić do opracowania precyzyjnych czujników do szerokiego zakresu zastosowań. Jakość tych czujników będzie zależeć od tego, jak dobrze naukowcy zrozumieją zachowanie tych atomów w mikrograwitacji, w tym ich wzajemne interakcje. Wprowadzenie narzędzi do kontrolowania atomów, takich jak pola magnetyczne, może sprawić, że będą się one odpychać jak olej i woda lub sklejać jak miód. Zrozumienie tych interakcji jest kluczowym celem Laboratorium Zimnych Atomów. JPL, oddział Caltech w Pasadenie, zaprojektował i zbudował Laboratorium Zimnych Atomów, które jest sponsorowane przez dział Nauk Biologicznych i Fizycznych (BPS) Dyrekcji Misji Naukowych NASA w siedzibie agencji w Waszyngtonie. BPS jest pionierem odkryć naukowych i umożliwia eksplorację poprzez wykorzystanie środowiska kosmicznego do prowadzenia badań, które nie są możliwe na Ziemi.Badanie zjawisk biologicznych i fizycznych w ekstremalnych warunkach pozwala badaczom rozwijać podstawową wiedzę naukową wymaganą do tego, aby dotrzeć dalej i pozostać dłużej w kosmosie, jednocześnie przynosząc korzyści życiu na Ziemi. Aby dowiedzieć się więcej o Cold Atom Lab, przejdź tutaj: https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/ Calla CofieldJet Propulsion Laboratory, Pasadena, [email protected] 2023-170
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
