Въпреки десетилетия на продължаващи изследвания, учените се опитват да разберат как четирите основни сили на Вселената се сближават. Докато квантовата механика може да обясни как три от тези сили действат заедно на най-малката от скалите (електромагнетизъм, слаби и силни ядрени сили), Общата относителност обяснява как нещата се държат на най-голямата от скалите (т.е. гравитацията). В това отношение гравитацията остава задръжка.
За да разберат как гравитацията взаимодейства с материята на най-малките везни, учените са разработили някои наистина авангардни експерименти. Една от тях е лабораторията за студен атом на НАСА (CAL), разположена на борда на МКС, която наскоро постигна крайъгълен камък чрез създаването на облаци от атоми, известни като кондензати на Боза-Айнщайн (BEC). Това е първият път, когато BEC са създадени в орбита и предлага нови възможности за изследване на законите на физиката.
Първоначално предвидени от Satyendra Nath Bose и Алберт Айнщайн преди 71 години, BEC са по същество ултра студени атоми, които достигат температури малко над абсолютната нула, точката, в която атомите трябва да спрат да се движат изцяло (на теория). Тези частици са дълголетни и прецизно контролирани, което ги прави идеалната платформа за изучаване на квантовите явления.
Това е целта на съоръжението CAL, което е да изследва ултра студени квантови газове в среда на микрогравитация. Лабораторията е инсталирана в лабораторията на САЩ на борда на МКС в края на май и е първата по рода си в космоса. Той е предназначен да усъвършенства способността на учените да правят прецизни измервания на гравитацията и да изучават как тя взаимодейства с материята при най-малките от скалата.
Както Робърт Томпсън, учен по проекта за ЛКД и физик в лабораторията за реактивни двигатели на НАСА, обясни в неотдавнашно съобщение за пресата:
„Провеждането на BEC експеримент на космическата станция е сбъдната мечта. Дълъг и труден път беше да стигнем до тук, но напълно си струва борбата, защото има толкова много, че ще можем да направим това съоръжение. "
Преди около две седмици учените от CAL потвърдиха, че съоръжението е произвеждало BECs от атоми на рубидий - мек, сребристо-бял метален елемент в алкалната група. Според доклада им те са достигнали температури до 100 нанокелвина, един десет милиона от един келвин над абсолютната нула (-273 ° C; -459 ° F). Това е приблизително 3 K (-270 ° C; -454 ° F) по-студено от средната температура на пространството.
Поради своето уникално поведение BEC се характеризират като пето състояние на материята, различно от газове, течности, твърди частици и плазма. В BEC атомите действат повече като вълни, отколкото частици в макроскопската скала, докато това поведение обикновено се наблюдава само в микроскопична скала. В допълнение, всички атоми приемат най-ниското си енергийно състояние и придобиват една и съща вълнова идентичност, което ги прави неразличими един от друг.
Накратко, атомните облаци започват да се държат като един „супер атом“, а не като отделни атоми, което ги прави по-лесни за изучаване. Първите BEC са произведени в лаборатория през 1995 г. от научен екип, състоящ се от Ерик Корнел, Карл Уиман и Волфганг Кеттерле, които споделят Нобеловата награда за физика през 2001 г. за тяхното изпълнение. От това време на Земята са проведени стотици BEC експерименти, а някои дори са изпратени в космоса на звукозаписни ракети.
Но CAL съоръжението е уникално по това, че е първото по рода си на МКС, където учените могат да провеждат ежедневни проучвания за дълги периоди. Съоръжението се състои от два стандартизирани контейнера, които се състоят от по-големия „квадратен шкаф“ и по-малкия „единичен шкаф“. Квадратното шкафче съдържа пакета за физика на CAL, отделението, където CAL ще произвежда облаци от ултра студени атоми.
Това става с помощта на магнитни полета или фокусирани лазери за създаване на контейнери без триене, известни като „атомни капани“. Тъй като атомният облак се декомпресира вътре в атомния капан, температурата му естествено спада, ставайки по-студена, колкото по-дълго остава в капана. На Земята, когато тези капани са изключени, гравитацията кара атомите да започнат отново да се движат, което означава, че те могат да бъдат изучавани само за части от секундата.
На борда на МКС, който е среда за микрогравитация, BEC могат да се декомпресират до по-студени температури, отколкото при всеки инструмент на Земята и учените са в състояние да наблюдават отделни BEC в продължение на пет до десет секунди наведнъж и да повтарят тези измервания до шест часа на ден. И тъй като съоръжението се контролира отдалечено от оперативния център за орбитални мисии на Земята в JPL, ежедневните операции не изискват никаква намеса от астронавтите на борда на станцията.
Робърт Шотуел, главният инженер на дирекцията по астрономия и физика на JPL, ръководи проекта от февруари 2017 г. Както той посочи в неотдавнашното съобщение на НАСА:
„CAL е изключително сложен инструмент. Обикновено BEC експериментите включват достатъчно оборудване за пълнене на помещение и изискват почти постоянно наблюдение от учените, докато CAL е с размерите на малък хладилник и може да се управлява отдалечено от Земята. Това беше борба и изискваше значителни усилия за преодоляване на всички препятствия, необходими за производството на сложното съоръжение, което работи на космическата станция днес. "
Гледайки напред, учените от CAL искат да отидат още по-далеч и да постигнат температури, по-ниски от всичко, постигнато на Земята. В допълнение към рубидия, екипът на CAL работи и за създаването на BECS, използвайки два различни изотопа на калиеви атоми. В момента CAL все още е във фаза на въвеждане в експлоатация, която се състои от оперативния екип, провеждащ дълга поредица от тестове, за да види как ще функционира съоръжението за CAL в микрогравитацията.
Въпреки това, след като тя е работеща, пет научни групи - включително групи, ръководени от Корнел и Кетърле - ще проведат експерименти в съоръжението през първата си година. Очаква се фазата на науката да започне в началото на септември и ще продължи три години. Камал Оудрири, ръководител на мисията на JPL за CAL, заяви:
„Съществува екип от учени, който се разпростира по целия свят, готов и развълнуван да използва това съоръжение. Разнообразният набор от експерименти, които планират да извършат, означава, че има много техники за манипулиране и охлаждане на атомите, които трябва да адаптираме за микрогравитация, преди да предадем инструмента на главните изследователи, за да започнем научни операции. "
Имайки предвид времето, лабораторията на Cold Atom (CAL) може да помогне на учените да разберат как гравитацията работи върху най-малките скали. В комбинация с високоенергийни експерименти, проведени от CERN и други лаборатории за физика на частици по целия свят, това в крайна сметка може да доведе до Теория на всичко (ToE) и пълно разбиране за това как работи Вселената.
И не забравяйте да разгледате и това готино видео (без каламбур!) На съоръжението за ЛКД, с любезното съдействие на НАСА:
