Hoolimata aastakümneid kestnud uurimistööst püüavad teadlased mõista, kuidas Universumi neli põhijõud omavahel kokku sobivad. Kui kvantmehaanika suudab selgitada, kuidas kolm neist jõududest toimivad koos kõige väiksema skaalaga (elektromagnetism, nõrgad ja tugevad tuumajõud), siis üldrelatiivsus selgitab, kuidas asjad käituvad kõige suurema skaala korral (s.o gravitatsioon). Selles suhtes jääb raskusjõud pidurdama.
Mõistmaks, kuidas gravitatsioon kõige väiksema skaalaga ainet mõjutab, on teadlased välja töötanud tõeliselt tipptasemel eksperimendid. Üks neist on ISSi pardal asuv NASA külma aatomi laboratoorium (CAL), mis saavutas hiljuti verstaposti, luues Bose-Einsteini kondensaatidena tuntud aatomipilved. See oli esimene kord, kui BEC-d loodi orbiidil, ja see pakub uusi võimalusi füüsikaseaduste uurimiseks.
Algselt ennustasid Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein 71 aastat tagasi, et BEC-d on olemuselt ülisuured aatomid, mis saavutavad temperatuuri veidi üle absoluutse nulli - punkti, kus aatomid peaksid täielikult liikumise lõpetama (teoreetiliselt). Need osakesed on pikaealised ja täpselt kontrollitavad, mis teeb neist ideaalse platvormi kvantnähtuste uurimiseks.
See on CAL-i eesmärk, mille eesmärk on uurida ülimalt külmi kvantgaase mikrogravitatsioonilises keskkonnas. Laboratoorium paigaldati mai lõpul ISSi pardale USA teaduslaborisse ja see on kosmoses esimene omataoline. Selle eesmärk on edendada teadlaste suutlikkust gravitatsiooni täpsusega mõõta ja uurida, kuidas see interakteerub mateeriaga väikseima skaalaga.
Nagu selgitas CAL-i projekti teadlane ja NASA reaktiivmootorite laboratooriumi füüsik Robert Thompson hiljutises pressiteates:
„Kosmosejaamas tegutseva BEC-eksperimendi pidamine on unistuse täitumine. Siia jõudmine on olnud pikk ja raske tee, kuid see on vaeva väärt, sest selle rajamisega on meil nii palju tegemist. "
Umbes kaks nädalat tagasi kinnitasid CAL-i teadlased, et rajatis oli tootnud BEC-sid rubiidiumiaatomitest - leeliste rühmas sisalduvast pehmest, hõbevalgest metallilisest elemendist. Nende teate kohaselt olid nad jõudnud temperatuurini 100 nanoKelvini, mis on kümmekond miljonit ühe kelvini üle absoluutse nulli (-273 ° C; -459 ° F). See on umbes 3 K (-270 ° C; -454 ° F) jahedam kui ruumi keskmine temperatuur.
Oma ainulaadse käitumise tõttu iseloomustatakse BEC-sid viienda mateeria olekuna, mis erineb gaasidest, vedelikest, tahketest ainetest ja plasmast. BEC-des toimivad aatomid makroskoopilises mõõtkavas pigem lainetena kui osakestena, samas kui selline käitumine on tavaliselt jälgitav ainult mikroskoopilisel skaalal. Lisaks sellele võtavad kõik aatomid madalaima energiaseisundi ja võtavad sama laineidentiteedi, muutes nad üksteisest eristamatuks.
Lühidalt, aatomipilved hakkavad käituma nagu üksik „superaatom”, mitte üksikud aatomid, mis muudab nende uurimise lihtsamaks. Esimesed BEC-d toodeti laboris 1995. aastal teadusrühma poolt, kuhu kuulusid Eric Cornell, Carl Wieman ja Wolfgang Ketterle ning kes jagasid nende saavutuste eest 2001. aasta Nobeli füüsikapreemia. Sellest ajast peale on Maal läbi viidud sadu BEC katseid ja mõned neist on isegi kosmosesse saadetud kosmoserakettide pardal.
Kuid CAL-rajatis on ainulaadne selle poolest, et see on esimene omataoline ISS-is, kus teadlased saavad pika aja jooksul läbi viia igapäevaseid uuringuid. Rajatis koosneb kahest standardiseeritud mahutist, mis koosnevad suuremast “neljarattalisest” kapist ja väiksemast “ühest kapist”. Neljakohaline kapp sisaldab CAL-i füüsikapaketti, sektsiooni, kus CAL-i abil tekivad ultrakülmade aatomite pilved.
Selleks kasutatakse magnetvälju või fokuseeritud lasereid, et luua hõõrdetud anumaid, mida nimetatakse aatomipüüduriteks. Kui aatomipilv dekompresseerub aatomilõksu sees, langeb selle temperatuur loomulikult, muutudes külmemaks, mida kauem lõksu jääb. Kui need püünised välja lülitatakse, põhjustab gravitatsioon aatomite taas liikumist, mis tähendab, et neid saab uurida vaid sekundi murdosa jooksul.
ISS-is, mis on mikrogravitatsiooniline keskkond, suudavad BEC-d lahustuda külmemate temperatuurideni kui kõigi Maa peal olevate instrumentidega ning teadlased suudavad jälgida üksikuid BEC-sid viis kuni kümme sekundit korraga ja korrata neid mõõtmisi kuni kuus tundi päevas. Ja kuna rajatist juhitakse JPL-ist Maa Orbiidimissioonide Operatsioonikeskusest eemalt, ei vaja igapäevased operatsioonid jaama pardal viibivate astronautide sekkumist.
JPL astronoomia ja füüsika direktoraadi vanemmehaanik Robert Shotwell on projekti üle järelevalvet teinud 2017. aasta veebruarist. Nagu ta teatas NASA hiljutises pressiteates:
„CAL on äärmiselt keeruline instrument. Tavaliselt hõlmavad BEC katsed ruumi täitmiseks piisavalt seadmeid ja nõuavad teadlaste peaaegu pidevat jälgimist, samas kui CAL on umbes väikese külmiku suurune ja seda saab kasutada Maast kaugemal. See oli võitlus ja nõudis märkimisväärseid pingutusi kõigi takistuste ületamiseks, mis on vajalikud tänapäeval kosmosejaamas töötava keeruka rajatise tootmiseks. "
Vaadates tulevikku, tahavad CAL-i teadlased veelgi kaugemale jõuda ja saavutada temperatuurid, mis on madalamad kui Maa peal saavutatud. Lisaks rubiidiumile töötab CAL-i meeskond ka selle nimel, et luua BECS-e kahe erineva kaaliumi aatomite isotoobi abil. Praegu on CAL alles kasutuselevõtufaasis, mis koosneb operatsioonimeeskonnast, kes viib läbi pika testide seeria, et näha, kuidas CAL-seade töötab mikrogravitatsioonis.
Kui see on valmis ja töötab, viivad viis teadusrühma - sealhulgas Cornelli ja Ketterle'i juhitud rühmad - esimesel aastal rajatises katseid. Teadusetapp algab eeldatavalt septembri alguses ja kestab kolm aastat. Nagu JPL CAL-i missioonihaldur Kamal Oudrhiri ütles:
„Selle rajatise kasutamiseks on valmis kogu maailmas tegutsev teadlaste meeskond, kes on valmis ja põnevil. Mitmekesine katsete arv, mida nad kavatsevad läbi viia, tähendab, et aatomite manipuleerimiseks ja jahutamiseks on palju tehnikaid, mida peame mikrogravitatsiooni jaoks kohandama, enne kui anname instrumendi teadusuuringute alustamiseks üle peauurijatele. ”
Külma aatomi labor (CAL) võib teadlastel aidata teadlastel mõista, kuidas gravitatsioon töötab kõige väiksematel skaaladel. Kombineerituna CERNi ja teiste osakestefüüsika laborite poolt läbi viidud suure energiatarbimisega katsetega, võib see lõpuks viia kõiksuse teooriani (ToE of Everything) ja täieliku arusaamiseni universumi toimimisest.
Ja vaadake kindlasti ka seda CAL-i lahedat videot (no pun!) - NASA viisakusel:
