Παρά τις δεκαετίες συνεχούς έρευνας, οι επιστήμονες προσπαθούν να καταλάβουν πώς ταιριάζουν οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του Σύμπαντος. Ενώ η κβαντική μηχανική μπορεί να εξηγήσει πώς λειτουργούν τρία από αυτά τα πράγματα μαζί στη μικρότερη κλίμακα (ηλεκτρομαγνητισμός, αδύναμες και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις), η Γενική Σχετικότητα εξηγεί πώς συμπεριφέρονται τα πράγματα στη μεγαλύτερη κλίμακα (δηλαδή τη βαρύτητα). Από αυτή την άποψη, η βαρύτητα παραμένει το κράτημα.
Για να καταλάβουν πώς η βαρύτητα αλληλεπιδρά με την ύλη στις πιο μικρές κλίμακες, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μερικά πραγματικά πρωτοποριακά πειράματα. Ένα από αυτά είναι το Cold Atom Laboratory (CAL) της NASA, που βρίσκεται πάνω στο ISS, το οποίο πέτυχε πρόσφατα ένα ορόσημο δημιουργώντας σύννεφα ατόμων γνωστά ως συμπυκνώματα Bose-Einstein (BEC). Αυτή ήταν η πρώτη φορά που οι BEC δημιουργήθηκαν σε τροχιά και προσφέρουν νέες ευκαιρίες για διερεύνηση των νόμων της φυσικής.
Αρχικά προβλέφθηκε από τους Satyendra Nath Bose και Albert Einstein πριν από 71 χρόνια, τα BEC είναι ουσιαστικά υπερ-ψυχρά άτομα που φτάνουν σε θερμοκρασίες ακριβώς πάνω από το απόλυτο μηδέν, το σημείο στο οποίο τα άτομα πρέπει να σταματήσουν να κινούνται εντελώς (θεωρητικά). Αυτά τα σωματίδια είναι μακράς διαρκείας και ελέγχονται με ακρίβεια, γεγονός που τα καθιστά την ιδανική πλατφόρμα για τη μελέτη κβαντικών φαινομένων.
Αυτός είναι ο σκοπός της διευκόλυνσης CAL, η οποία είναι η μελέτη κβαντικών αερίων υπερψύξης σε περιβάλλον μικροβαρύτητας. Το εργαστήριο εγκαταστάθηκε στο US Science Lab στο ISS στα τέλη Μαΐου και είναι το πρώτο του είδους του στο διάστημα. Έχει σχεδιαστεί για να προάγει την ικανότητα των επιστημόνων να κάνουν ακριβείς μετρήσεις της βαρύτητας και να μελετήσει πώς αλληλεπιδρά με την ύλη στη μικρότερη κλίμακα.
Όπως εξήγησε ο Robert Thompson, επιστήμονας του προγράμματος CAL και φυσικός στο εργαστήριο Jet Propulsion της NASA:
«Η πραγματοποίηση ενός πειράματος BEC στον διαστημικό σταθμό είναι ένα όνειρο που έγινε πραγματικότητα. Ήταν ένας μακρύς, δύσκολος δρόμος για να φτάσετε εδώ, αλλά αξίζει τον κόπο, γιατί υπάρχουν τόσα πολλά που μπορούμε να κάνουμε με αυτήν την εγκατάσταση. "
Πριν από περίπου δύο εβδομάδες, οι επιστήμονες της CAL επιβεβαίωσαν ότι η εγκατάσταση παρήγαγε BEC από άτομα ρουβιδίου - ένα μαλακό, ασημί λευκό μεταλλικό στοιχείο στην ομάδα αλκαλίων. Σύμφωνα με την έκθεσή τους, είχαν φθάσει σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο 100 nanoKelvin, ένα-δέκα εκατομμύρια ενός Kelvin πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273 ° C; -459 ° F). Αυτό είναι περίπου 3 K (-270 ° C, -454 ° F) πιο κρύο από τη μέση θερμοκρασία του χώρου.
Λόγω της μοναδικής συμπεριφοράς τους, τα BEC χαρακτηρίζονται ως πέμπτη κατάσταση ύλης, που διαφέρει από τα αέρια, τα υγρά, τα στερεά και το πλάσμα. Στα BEC, τα άτομα δρουν περισσότερο σαν κύματα από τα σωματίδια στη μακροσκοπική κλίμακα, ενώ αυτή η συμπεριφορά είναι συνήθως παρατηρήσιμη μόνο στη μικροσκοπική κλίμακα. Επιπλέον, όλα τα άτομα αναλαμβάνουν τη χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση και παίρνουν την ίδια ταυτότητα κύματος, καθιστώντας τα αδιάκριτα μεταξύ τους.
Με λίγα λόγια, τα σύννεφα ατόμων αρχίζουν να συμπεριφέρονται σαν ένα «σούπερ άτομο» παρά μεμονωμένα άτομα, γεγονός που τους καθιστά ευκολότερους να μελετήσουν. Τα πρώτα BEC δημιουργήθηκαν σε εργαστήριο το 1995 από μια επιστημονική ομάδα αποτελούμενη από τους Eric Cornell, Carl Wieman και Wolfgang Ketterle, οι οποίοι μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ 2001 στη Φυσική για την επίτευξή τους. Από τότε, εκατοντάδες πειράματα BEC έχουν διεξαχθεί στη Γη και μερικά έχουν σταλεί ακόμη και στο διάστημα πάνω σε ρουκέτες.
Ωστόσο, η εγκατάσταση CAL είναι μοναδική στο ότι είναι η πρώτη του είδους της στο ISS, όπου οι επιστήμονες μπορούν να διεξάγουν καθημερινές μελέτες για μεγάλες περιόδους. Η εγκατάσταση αποτελείται από δύο τυποποιημένα δοχεία, τα οποία αποτελούνται από το μεγαλύτερο «quad locker» και το μικρότερο «single locker». Το τετράγωνο ντουλάπι περιέχει το πακέτο φυσικής της CAL, το διαμέρισμα όπου η CAL θα παράγει σύννεφα από εξαιρετικά κρύα άτομα.
Αυτό γίνεται με τη χρήση μαγνητικών πεδίων ή εστιασμένων λέιζερ για τη δημιουργία δοχείων χωρίς τριβή, γνωστά ως "παγίδες ατόμων". Καθώς το νέφος ατόμου αποσυμπιέζεται μέσα στην παγίδα ατόμων, η θερμοκρασία του μειώνεται φυσικά, όλο και πιο κρύο όσο περισσότερο παραμένει στην παγίδα. Στη Γη, όταν αυτές οι παγίδες είναι απενεργοποιημένες, η βαρύτητα αναγκάζει τα άτομα να αρχίσουν να κινούνται ξανά, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να μελετηθούν μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου.
Πάνω στο ISS, το οποίο είναι ένα περιβάλλον μικροβαρύτητας, τα BEC μπορούν να αποσυμπιεστούν σε ψυχρότερες θερμοκρασίες από ό, τι με οποιοδήποτε όργανο στη Γη και οι επιστήμονες μπορούν να παρατηρήσουν μεμονωμένα BEC για πέντε έως δέκα δευτερόλεπτα κάθε φορά και να επαναλάβουν αυτές τις μετρήσεις έως και έξι ώρες την ημέρα. Και δεδομένου ότι η εγκατάσταση ελέγχεται εξ αποστάσεως από το Earth Operation Orbiting Missions Operation Center στο JPL, οι καθημερινές λειτουργίες δεν απαιτούν παρέμβαση από αστροναύτες στο σταθμό.
Ο Robert Shotwell, επικεφαλής μηχανικός της διεύθυνσης αστρονομίας και φυσικής της JPL, επιβλέπει το έργο από τον Φεβρουάριο του 2017. Όπως ανέφερε σε πρόσφατο δελτίο τύπου της NASA:
«Το CAL είναι ένα εξαιρετικά περίπλοκο όργανο. Συνήθως, τα πειράματα BEC περιλαμβάνουν αρκετό εξοπλισμό για να γεμίσουν ένα δωμάτιο και απαιτούν σχεδόν συνεχή παρακολούθηση από επιστήμονες, ενώ το CAL έχει μέγεθος περίπου ενός μικρού ψυγείου και μπορεί να λειτουργήσει εξ αποστάσεως από τη Γη. Ήταν ένας αγώνας και χρειάστηκε σημαντική προσπάθεια για να ξεπεραστούν όλα τα εμπόδια που απαιτούνται για την παραγωγή της εξελιγμένης εγκατάστασης που λειτουργεί στο διαστημικό σταθμό σήμερα. "
Κοιτώντας μπροστά, οι επιστήμονες της CAL θέλουν να προχωρήσουν ακόμη περισσότερο και να επιτύχουν θερμοκρασίες που είναι χαμηλότερες από οτιδήποτε επιτευχθεί στη Γη. Εκτός από το ρουβίδιο, η ομάδα CAL εργάζεται επίσης για την παραγωγή BECS χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικά ισότοπα ατόμων καλίου. Προς το παρόν, η CAL βρίσκεται ακόμη σε φάση έναρξης λειτουργίας, η οποία αποτελείται από την ομάδα επιχειρήσεων που διεξάγει μια μακρά σειρά δοκιμών για να δει πώς θα λειτουργεί η εγκατάσταση CAL σε μικροβαρύτητα.
Ωστόσο, μόλις τεθεί σε λειτουργία, πέντε επιστημονικές ομάδες - συμπεριλαμβανομένων των ομάδων με επικεφαλής τους Cornell και Ketterle - θα πραγματοποιήσουν πειράματα στην εγκατάσταση κατά τη διάρκεια του πρώτου έτους. Η επιστημονική φάση αναμένεται να ξεκινήσει στις αρχές Σεπτεμβρίου και θα διαρκέσει τρία χρόνια. Όπως είπε ο Kamal Oudrhiri, διευθυντής αποστολής της JPL για την CAL:
«Υπάρχει μια παγκόσμια ομάδα επιστημόνων έτοιμη και ενθουσιασμένη να χρησιμοποιήσει αυτήν την εγκατάσταση. Το διαφορετικό εύρος των πειραμάτων που σκοπεύουν να πραγματοποιήσουν σημαίνει ότι υπάρχουν πολλές τεχνικές για το χειρισμό και την ψύξη των ατόμων που πρέπει να προσαρμόσουμε για μικροβαρύτητα, προτού γυρίσουμε το όργανο στους κύριους ερευνητές για να ξεκινήσουμε τις επιστημονικές λειτουργίες. "
Δεδομένου του χρόνου, το Cold Atom Lab (CAL) μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς λειτουργεί η βαρύτητα στις πιο μικρές κλίμακες. Σε συνδυασμό με πειράματα υψηλής ενέργειας που διεξήχθησαν από το CERN και άλλα εργαστήρια φυσικής σωματιδίων σε όλο τον κόσμο, αυτό θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε μια θεωρία των πάντων (ToE) και σε μια πλήρη κατανόηση του πώς λειτουργεί το Σύμπαν.
Και φροντίστε να ρίξετε μια ματιά σε αυτό το υπέροχο βίντεο (χωρίς λογοπαίγνιο!) Της εγκατάστασης CAL επίσης, ευγενική προσφορά της NASA:
