NASA po raz pierwszy demonstruje w kosmosie "ultra-chłodny czujnik kwantowy
Przyszłe misje kosmiczne mogą wykorzystywać technologię kwantową do śledzenia wody na Ziemi, badania składu księżyców i innych planet lub badania tajemniczych zjawisk kosmicznych.
NASA's Cold Atom Lab, pierwszy tego rodzaju obiekt na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, zrobił kolejny krok w kierunku zrewolucjonizowania sposobu, w jaki nauka kwantowa może być wykorzystywana w kosmosie. Członkowie zespołu naukowego zmierzyli subtelne wibracje stacji kosmicznej za pomocą jednego z narzędzi pokładowych laboratorium - po raz pierwszy ultra-zimne atomy zostały wykorzystane do wykrywania zmian w otaczającym środowisku w kosmosie.
Badanie, które ukazało się w Nature Communications 13 sierpnia, donosi również o najdłuższej demonstracji falowej natury atomów podczas swobodnego spadania w kosmosie.
Zespół naukowy Cold Atom Lab dokonał pomiarów za pomocą narzędzia kwantowego zwanego interferometrem atomowym, które może precyzyjnie mierzyć grawitację, pola magnetyczne i inne siły. Naukowcy i inżynierowie na Ziemi używają tego narzędzia do badania fundamentalnej natury grawitacji i rozwijania technologii wspomagających nawigację samolotów i statków. (Telefony komórkowe, tranzystory i GPS to tylko kilka innych głównych technologii opartych na nauce kwantowej, ale nie wykorzystujących interferometrii atomowej.)
Fizycy chętnie stosowali interferometrię atomową w kosmosie, ponieważ panująca tam mikrograwitacja pozwala na dłuższe czasy pomiarów i większą czułość przyrządów, ale niezwykle czuły sprzęt był uważany za zbyt delikatny, aby działać przez dłuższy czas bez pomocy rąk. Laboratorium Zimnego Atomu, które jest obsługiwane zdalnie z Ziemi, pokazało teraz, że jest to możliwe.
"Osiągnięcie tego kamienia milowego było niesamowitym wyzwaniem, a nasz sukces nie zawsze był oczywisty" - powiedział Jason Williams, naukowiec projektu Cold Atom Lab w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Południowej Kalifornii. "Wymagało to od zespołu poświęcenia i poczucia przygody, aby to osiągnąć."
Sensory kosmiczne, które mogą mierzyć grawitację z dużą precyzją, mają szeroki zakres potencjalnych zastosowań. Na przykład mogłyby one ujawnić skład planet i księżyców w naszym Układzie Słonecznym, ponieważ różne materiały mają różną gęstość, co powoduje subtelne zmiany grawitacji.
Ten rodzaj pomiaru jest już wykonywany przez amerykańsko-niemiecką współpracę GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on), która wykrywa niewielkie zmiany grawitacji w celu śledzenia ruchu wody i lodu na Ziemi. Interferometr atomowy mógłby zapewnić dodatkową precyzję i stabilność, ujawniając więcej szczegółów na temat zmian masy powierzchniowej.
Precyzyjne pomiary grawitacji mogą również zapewnić wgląd w naturę ciemnej materii i ciemnej energii, dwóch głównych tajemnic kosmologicznych. Ciemna materia to niewidoczna substancja, która jest pięć razy bardziej powszechna we wszechświecie niż "zwykła" materia, z której składają się planety, gwiazdy i wszystko inne, co możemy zobaczyć. Ciemna energia to nazwa nadana nieznanemu czynnikowi przyspieszającemu ekspansję wszechświata.
"Interferometria atomowa może być również wykorzystana do testowania ogólnej teorii względności Einsteina na nowe sposoby" - powiedział profesor Uniwersytetu Wirginii Cass Sackett, główny badacz Cold Atom Lab i współautor nowego badania. "Jest to podstawowa teoria wyjaśniająca wielkoskalową strukturę naszego wszechświata i wiemy, że istnieją aspekty tej teorii, których nie rozumiemy poprawnie. Ta technologia może pomóc nam wypełnić te luki i dać nam pełniejszy obraz rzeczywistości, w której żyjemy."
Laboratorium Cold Atom Lab, wielkości minilodówki, zostało wystrzelone na stację kosmiczną w 2018 roku w celu rozwoju nauki kwantowej poprzez umieszczenie długoterminowego obiektu w środowisku mikrograwitacji na niskiej orbicie okołoziemskiej. Laboratorium schładza atomy do niemal zera absolutnego, czyli minus 459 stopni Fahrenheita (minus 273 stopni Celsjusza). W tej temperaturze niektóre atomy mogą tworzyć kondensat Bosego-Einsteina, stan materii, w którym wszystkie atomy mają zasadniczo tę samą tożsamość kwantową. W rezultacie niektóre z typowo mikroskopijnych właściwości kwantowych atomów stają się makroskopijne, co ułatwia ich badanie.
Właściwości kwantowe obejmują czasami działanie jak cząstki stałe, a czasami jak fale. Naukowcy nie wiedzą, w jaki sposób te elementy składowe całej materii mogą przechodzić między tak różnymi zachowaniami fizycznymi, ale używają technologii kwantowej, takiej jak ta dostępna w Cold Atom Lab, aby szukać odpowiedzi.
W mikrograwitacji kondensaty Bosego-Einsteina mogą osiągać niższe temperatury i istnieć dłużej, dając naukowcom więcej możliwości ich badania. Interferometr atomowy jest jednym z kilku narzędzi w ośrodku umożliwiającym precyzyjne pomiary poprzez wykorzystanie kwantowej natury atomów.
Ze względu na swoje falowe zachowanie, pojedynczy atom może jednocześnie podróżować dwiema fizycznie oddzielnymi ścieżkami. Jeśli grawitacja lub inne siły działają na te fale, naukowcy mogą zmierzyć ten wpływ, obserwując, jak fale rekombinują i wchodzą w interakcje.
"Spodziewam się, że kosmiczna interferometria atomowa doprowadzi do ekscytujących nowych odkryć i fantastycznych technologii kwantowych wpływających na codzienne życie i przeniesie nas w kwantową przyszłość" - powiedział Nick Bigelow, profesor na University of Rochester w Nowym Jorku i główny badacz Cold Atom Lab dla konsorcjum amerykańskich i niemieckich naukowców, którzy współautorzy.Oddział Caltech w Pasadenie, JPL zaprojektował i zbudował Cold Atom Lab, który jest sponsorowany 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 środowisk kosmicznych 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, odwiedź:
https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
2024-106
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
