Лаборатория холодного атома НАСА проводит сверхнизкотемпературные эксперименты в условиях почти нулевой гравитации, которые невозможно было бы выполнить на Земле.
В МАРТЕ 2018 ГОДА исследователи запустили на Международную космическую станцию то, что выглядит как белый холодильник размером с холодильник. В этом тяжелом ящике находится объект стоимостью 100 миллионов долларов, известный как Лаборатория холодного атома, который позволяет проводить множество экспериментов по атомной физике при температурах замерзания в невесомости космоса. С этими уникальными условиями ученые теперь произвели крошечные пузырьки чрезвычайно холодных газовых атомов, поставив их на край территории квантовой физики.
Это достижение, возможное только в условиях микрогравитации и при миллионной доле градуса выше абсолютного нуля, минимальной температуры Вселенной, было бы невозможно достичь на Земле. Команда физиков, стоящих за этой вехой, которые все работают удаленно, то есть на земле, опубликовала свое новое исследование в журнале Nature на прошлой неделе они показали, что сделали ультрахолодные пузырьки с экспериментальным аппаратом, который излучал лазеры в герметичную вакуумную камеру для охлаждения атомов газа. Затем они развернули магнитные поля и радиоволны, чтобы бросить их в полые, яйцевидные капли. Эксперимент дает представление о квантовой сфере и имеет приложения для других областей физики.
“Интересно видеть, как атомы принимают эти новые формы и видят новое поведение, когда вы выключаете гравитацию”, - говорит Дэвид Эвелин, автор исследования и член коллаборации, работающей в Лаборатории холодного атома, управляемой Лабораторией реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния.
Ультрахолодные атомы газа — в данном случае рубидия — ведут себя не так, как обычно при комнатной температуре, мечась вокруг своего контейнера, как микроскопические бильярдные шары. Когда газ остывает, они движутся все медленнее и медленнее, но без того, чтобы вялые атомы превращались в жидкость или твердое тело, как это сделал бы пар. Когда они охлаждаются близко к абсолютному нулю, они начинают слипаться вместе, а длины волн, связанные с частицами газа, становятся длиннее и начинают перекрываться.
При таких чрезвычайно низких температурах атомы начинают действовать странно. Они сливаются в вещество с квантовыми свойствами, ведущее себя и как частицы, и как волны В этот момент они представляют собой квантовый парадокс и почти как новое состояние материи, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, названное в честь индийских и немецких физиков столетней давности. (Технически ультрахолодные атомы должны быть охлаждены еще больше, чтобы считаться конденсатом Бозе-Эйнштейна, но они показывают признаки того, что находятся на пороге этого.) В любом случае, в то время как квантовые явления обычно требуют мощных микроскопов для наблюдения, эти пузырьки могут быть раздуты до размера намного большегочем ширина человеческого волоса.
“Мы берем аккуратные физические эффекты, которые обычно происходят в масштабе атомов, и мы заставляем их происходить в объектах размером до миллиметра, пытаясь сделать квантовую механику и странное поведение физики видимыми невооруженным глазом”, - говорит Натан Лундблад, физик-атомщик из Колледжа Бейтса в Калифорнии.Мэн и ведущий автор исследования.
В то время как эти физики и их коллеги десятилетиями изучали ультрахолодные атомы на Земле, гравитация планеты все еще тянет атомы, хотя это самая слабая сила природы. На земле, если ученые пытаются подтолкнуть атомы в круглую каплю или пузырь, они в конечном итоге опускаются, создавая вогнутую форму, больше похожую на маленькую контактную линзу. Это не помешало исследователям манипулировать ими в других формах, таких как иглы, кольца и блины. (Геометрия атомов может иметь значение, поскольку ультратонкий слой углерода может быть превращен в графеннапример.) Но чтобы сделать пузырьки из ультрахолодных атомов газа, которые остаются сферическими или эллипсоидальными и не сглаживаются, они должны были убрать гравитацию из картины. Вот где появилась МКС.
Эксперимент Лундблада и Авелины supercool - это всего лишь один из них в лаборатории холодного атома, или CAL. В отличие от исследовательской лаборатории в университете, CAL содержит оборудование, которое позволяет шести командам проводить различные эксперименты, что-то вроде кухни, куда могут прийти группы поваров, чтобы использовать ингредиенты и инструменты для приготовления собственных блюд. Как только астронавты установили лабораторию, она смогла работать самостоятельно, не требуя контроля или помощи со стороны экипажа МКС. (Иногда его можно отремонтировать или улучшить, как, например, когда астронавты НАСА Кристина Кох и Джессика Меир провели модернизацию в 2020 году.)
В отличие от исследований атомной физики на Земле, команды ученых, такие как Лундблад и Авелин, должны предлагать и проводить свои эксперименты издалека. “Это похоже на телескоп Хаббла, но для атомных физиков”, - говорит Лундблад. Исследователи управляют CAL удаленно из JPL, отправляя команды и получая данные, которые затем распределяют ученым, разработавшим эксперименты. Они обычно запускают их, когда астронавты спят, отчасти потому, что КЭЛ сидит рядом с велотренажером на МКС, который может слегка встряхнуть аппарат.
В 2018 году группа немецких ученых запустила аналогичный эксперимент на ракете, которая ненадолго отправилась в космос, но это первый раз, когда кто-то попытался это сделать на орбите. Исследователи также попытались имитировать микрогравитацию с помощью вакуумной камеры в 400-футовой капельной башне в Бременском университете на севере Германии. Но эта почти невесомость длится всего несколько секунд, и ученые могут проводить только несколько таких короткоживущих экспериментов в день, в отличие от CAL, который может проводить некоторые эксперименты несколько раз в минуту.
“Здорово видеть, что происходит недорогой серьезный научный эксперимент. Я вижу много биологических экспериментов в космосе, но с точки зрения физических наук я думаю, что Лаборатория холодного атома была фантастической ”, - говорит Барри Гаррауэй, квантовый физик из Университета Сассекса в Великобритании, который ранее руководил теоретическими работами по конденсатам Бозе-Эйнштейна и не участвовал в CAL. (Лаборатория не совсем дешевая, но она недорогая по сравнению, например, с многомиллиардными ускорителями частиц.)
“Для меня это пробудило интерес к космосу”, - говорит Гаррауэй. - Что касается эксперимента, то сейчас меня интересует, как его улучшить, сделать более симметричным, разгладить некоторые морщины и помочь им в путешестви
