Přes desetiletí probíhajícího výzkumu se vědci snaží pochopit, jak čtyři základní síly vesmíru zapadají do sebe. Zatímco kvantová mechanika může vysvětlit, jak tři z těchto sil věci spolupracují na nejmenších stupnicích (elektromagnetismus, slabé a silné jaderné síly), obecná relativita vysvětluje, jak se věci chovají na největších stupnicích (tj. Gravitaci). V tomto ohledu zůstává gravitace zdržením.
Aby vědci pochopili, jak gravitace interaguje s hmotou na nejmenších stupnicích, vyvinuli vědci skutečně skutečně špičkové experimenty. Jedním z nich je laboratoř NASA Cold Atom Laboratory (CAL), umístěná na palubě ISS, která nedávno dosáhla milníku vytvořením mraků atomů známých jako Bose-Einsteinovy kondenzáty (BEC). Bylo to poprvé, kdy byly BEC vytvořeny na oběžné dráze a nabízí nové příležitosti k prozkoumání fyzikálních zákonů.
Původně předpovídali Satyendra Nath Bose a Albert Einstein před 71 lety, BEC jsou v podstatě ultracold atomy, které dosahují teploty těsně nad absolutní nulou, což je bod, ve kterém by se atomy měly zcela přestat pohybovat (teoreticky). Tyto částice mají dlouhou životnost a jsou přesně kontrolovány, což z nich činí ideální platformu pro studium kvantových jevů.
To je účel zařízení CAL, které má studovat ultracold kvantové plyny v prostředí mikrogravitace. Laboratoř byla na konci května nainstalována v americké vědecké laboratoři na palubě ISS a je první svého druhu ve vesmíru. Je navržen tak, aby zlepšoval schopnost vědců provádět přesná měření gravitace a studovat, jak interaguje s hmotou v nejmenším měřítku.
Jak Robert Thompson, vědecký pracovník projektu CAL a fyzik v Jet Propulsion Laboratory NASA, vysvětlil v nedávné tiskové zprávě:
"Mít experiment BEC pracující na vesmírné stanici je sen." Byla to dlouhá, těžká cesta, abychom se sem dostali, ale rozhodně to stálo za to bojovat, protože s tímhle zařízením budeme mít spoustu práce. “
Asi před dvěma týdny vědci CAL potvrdili, že zařízení produkovalo BEC z atomů rubidia - měkkého stříbřitě bílého kovového prvku v alkalické skupině. Podle jejich zprávy dosáhli teploty až 100 nanoKvinů, což je deset milionů Kelvinů nad absolutní nulou (-273 ° C; -459 ° F). To je zhruba o 3 K (-270 ° C; -454 ° F) chladnější než průměrná teplota v prostoru.
Díky svému jedinečnému chování jsou BEC charakterizovány jako pátý stav hmoty, odlišný od plynů, kapalin, pevných látek a plazmy. V BEC se atomy chovají spíše jako vlny než částice v makroskopickém měřítku, zatímco toto chování je obvykle pozorovatelné pouze v mikroskopickém měřítku. Kromě toho všechny atomy předpokládají svůj nejnižší energetický stav a nabývají stejné vlnové identity, díky čemuž jsou od sebe navzájem nerozeznatelné.
Stručně řečeno, atomové mraky se začnou chovat spíše jako jediný „super atom“ než jednotlivé atomy, což jim usnadňuje studium. První BEC byly vyrobeny v laboratoři v roce 1995 vědeckým týmem sestávajícím z Erica Cornella, Carla Wiemana a Wolfganga Ketterla, kteří za své úspěchy sdíleli Nobelovu cenu za fyziku z roku 2001. Od té doby byly na Zemi prováděny stovky experimentů BEC a některé byly dokonce zaslány do kosmických raket.
Zařízení CAL je však jedinečné v tom, že je prvním svého druhu na ISS, kde vědci mohou provádět denní studium po dlouhou dobu. Zařízení se skládá ze dvou standardizovaných kontejnerů, které se skládají z většího „quad lockeru“ a menšího „single locker“. Quad locker obsahuje fyzikální balíček CAL, oddíl, ve kterém CAL bude vytvářet mraky ultrakudných atomů.
To se provádí pomocí magnetických polí nebo zaostřených laserů k vytvoření nádob bez tření známých jako „atomové pasti“. Jak se atomový mrak dekomprimuje uvnitř lapače atomů, jeho teplota přirozeně klesá, čím déle zůstane v pasti, bude chladnější. Když jsou tyto pasti na Zemi vypnuty, gravitace způsobí, že se atomy začnou znovu pohybovat, což znamená, že je lze studovat pouze zlomky sekundy.
Na palubě ISS, což je prostředí mikrogravitace, se mohou BEC dekomprimovat na nižší teploty než s jakýmkoli jiným přístrojem na Zemi a vědci jsou schopni sledovat jednotlivé BEC po dobu pěti až deseti sekund najednou a tato měření opakovat až šest hodin denně. A protože je zařízení ovládáno na dálku z operačního centra orbitálních misí Země na JPL, každodenní operace nevyžadují zásah astronautů na stanici.
Robert Shotwell, hlavní inženýr ředitelství astronomie a fyziky JPL, dohlížel na projekt od února 2017. Jak naznačil v nedávné tiskové zprávě NASA:
„CAL je nesmírně komplikovaný nástroj. Experimenty BEC obvykle zahrnují dostatek vybavení k zaplnění místnosti a vyžadují téměř konstantní monitorování vědci, zatímco CAL je o velikosti malé ledničky a lze ji ovládat vzdáleně ze Země. Byl to boj a vyžadovalo značné úsilí k překonání všech překážek nezbytných k výrobě sofistikovaného zařízení, které dnes funguje na vesmírné stanici. “
Při pohledu do budoucna chtějí vědci CAL jít ještě dále a dosáhnout teplot, které jsou nižší než cokoli jiného na Zemi. Kromě rubidia pracuje tým CAL také na přípravě BECS pomocí dvou různých izotopů atomů draslíku. V současné době je CAL stále ve fázi uvádění do provozu, která se skládá z operačního týmu provádějícího dlouhou sérii testů, které ukazují, jak bude zařízení CAL fungovat v mikrogravitaci.
Jakmile však bude fungovat, pět vědeckých skupin - včetně skupin vedených Cornellem a Ketterlem - bude provádět experimenty v zařízení během prvního roku. Očekává se, že vědecká fáze začne začátkem září a bude trvat tři roky. Kamal Oudrhiri, vedoucí mise JPL pro CAL, to řekl:
"Existuje vědecký tým vědců připravený a nadšený, že toto zařízení bude moci využívat." Různorodá řada experimentů, které plánují provést, znamená, že existuje mnoho technik pro manipulaci a chlazení atomů, které musíme přizpůsobit pro mikrogravitaci, než předáme přístroj hlavním vyšetřovatelům, aby zahájili vědecké operace. “
V daném čase mohou laboratoře Cold Atom Lab (CAL) pomáhat vědcům pochopit, jak gravitace funguje na nejmenších stupnicích. V kombinaci s vysoce energetickými experimenty prováděnými CERN a dalšími laboratořemi fyziky částic po celém světě by to mohlo nakonec vést k teorii všeho (ToE) a úplnému pochopení toho, jak vesmír funguje.
A nezapomeňte se podívat na toto skvělé video (bez hříčky!) Zařízení CAL, se svolením NASA:
