Til tross for flere tiår med pågående forskning, prøver forskere å forstå hvordan de fire grunnleggende kreftene i universet passer sammen. Mens kvantemekanikk kan forklare hvordan tre av disse kreftene ting fungerer sammen på de minste skalaene (elektromagnetisme, svake og sterke kjernekrefter), forklarer General Relativity hvordan ting oppfører seg på de største skalaene (dvs. tyngdekraften). I denne forbindelse er tyngdekraften fortsatt holdout.
For å forstå hvordan tyngdekraften samhandler med materien på de minste skalaene, har forskere utviklet noen virkelig banebrytende eksperimenter. En av disse er NASAs Cold Atom Laboratory (CAL), lokalisert ombord ISS, som nylig oppnådde en milepæl ved å lage skyer av atomer kjent som Bose-Einstein kondensater (BEC). Dette var første gang BEC-er ble opprettet i bane, og gir nye muligheter til å undersøke fysikkens lover.
Opprinnelig spådd av Satyendra Nath Bose og Albert Einstein for 71 år siden, er BEC-er i hovedsak ultrakaldte atomer som når temperaturer like over absolutt null, punktet der atomer bør slutte å bevege seg helt (i teorien). Disse partiklene er lang levetid og nøyaktig kontrollert, noe som gjør dem til den ideelle plattformen for å studere kvantefenomener.
Dette er formålet med CAL-anlegget, som er å studere ultrakalte kvantegasser i et mikrogravitasjonsmiljø. Laboratoriet ble installert i US Science Lab ombord på ISS i slutten av mai og er det første i sitt slag i verdensrommet. Den er designet for å fremme forskernes evne til å foreta presisjonsmålinger av tyngdekraften og studere hvordan den samspiller med materie på den minste skalaen.
Som Robert Thompson, CAL-prosjektforsker og fysiker ved Jet Propulsion Laboratory fra NASA, forklarte i en fersk pressemelding:
"Å ha et BEC-eksperiment som opererer på romstasjonen er en drøm. Det har vært en lang, vanskelig vei å komme hit, men absolutt verdt kampen, fordi det er så mye vi kommer til å kunne gjøre med dette anlegget. "
For omtrent to uker siden bekreftet CAL-forskere at anlegget hadde produsert BEC-er fra atomer av rubidium - et mykt, sølvhvitt metallisk element i alkaligruppen. I følge rapporten hadde de nådd temperaturer så lave som 100 nanoKelvin, en ti millioner av en Kelvin over absolutt null (-273 ° C; -459 ° F). Dette er omtrent 3 K (-270 ° C; -454 ° F) kaldere enn gjennomsnittstemperaturen på rommet.
På grunn av sin unike oppførsel er BEC-er karakterisert som en femte tilstand av materie, forskjellig fra gasser, væsker, faste stoffer og plasma. I BEC-er fungerer atomer mer som bølger enn partikler i makroskopisk skala, mens denne oppførselen vanligvis bare kan observeres i mikroskopisk skala. I tillegg antar atomene alle sin laveste energitilstand og tar på seg samme bølgeidentitet, noe som gjør at de ikke kan skilles fra hverandre.
Kort sagt begynner atomskyene å oppføre seg som et enkelt “superatom” i stedet for individuelle atomer, noe som gjør dem lettere å studere. De første BEC-ene ble produsert i et laboratorium i 1995 av et vitenskapsteam bestående av Eric Cornell, Carl Wieman og Wolfgang Ketterle, som delte Nobelprisen i fysikk 2001 for å oppnå det. Siden den tid har hundrevis av BEC-eksperimenter blitt utført på jorden, og noen er til og med blitt sendt ut i verdensrommet ombord på lydende raketter.
Men CAL-anlegget er unikt ved at det er det første av sitt slag på ISS, der forskere kan gjennomføre daglige studier over lengre perioder. Anlegget består av to standardiserte containere, som består av det større "firemålsrommet" og det mindre "ett skapet". Firemålsrommet inneholder CALs fysikkpakke, kupeen der CAL vil produsere skyer med ultrakalde atomer.
Dette gjøres ved å bruke magnetiske felt eller fokuserte lasere for å lage friksjonsfrie beholdere kjent som “atomfeller”. Når atomskyen dekomprimerer inne i atomfellen, synker temperaturen naturlig, og blir kaldere jo lenger den blir igjen i fellen. På jorden, når disse fellene er slått av, fører tyngdekraften til at atomene begynner å bevege seg igjen, noe som betyr at de bare kan studeres i brøkdeler av et sekund.
Ombord på ISS, som er et mikrogravitasjonsmiljø, kan BEC dekomprimere til kaldere temperaturer enn med noe annet instrument på jorden, og forskere kan observere individuelle BEC i fem til ti sekunder av gangen og gjenta disse målingene i opptil seks timer per dag. Og siden anlegget er fjernstyrt fra operasjonssenteret Earth Orbiting Missions på JPL, krever daglige operasjoner ingen inngripen fra astronauter ombord på stasjonen.
Robert Shotwell, sjefingeniør for JPLs direktorat for astronomi og fysikk, har overvåket prosjektet siden februar 2017. Som han antydet i en fersk pressemelding fra NASA:
“CAL er et ekstremt komplisert instrument. Vanligvis involverer BEC-eksperimenter nok utstyr til å fylle et rom og krever nær konstant overvåking av forskere, mens CAL er omtrent på størrelse med et lite kjøleskap og kan fjernstyres fra Jorden. Det var en kamp og krevde betydelig innsats for å overvinne alle hindringene som er nødvendige for å produsere det sofistikerte anlegget som opererer på romstasjonen i dag. "
Når vi ser fremover, ønsker CAL-forskerne å gå enda lenger og oppnå temperaturer som er lavere enn noe som oppnås på Jorden. I tillegg til rubidium, jobber CAL-teamet også for å lage BECS-er ved å bruke to forskjellige isotoper av kaliumatomer. For øyeblikket er CAL fremdeles i en igangkjøringsfase, som består av operasjonsteamet som utfører en lang rekke tester for å se hvordan CAL-anlegget vil fungere i mikrogravitet.
Når først den er i gang, vil fem vitenskapsgrupper - inkludert grupper ledet av Cornell og Ketterle - gjennomføre eksperimenter på anlegget i løpet av det første året. Vitenskapsfasen forventes å begynne i begynnelsen av september og vil vare i tre år. Som Kamal Oudrhiri, JPLs oppdragssjef for CAL, sa det:
”Det er et team med forskere fra kloden som er klare og glade for å bruke dette anlegget. Det mangfoldige eksperimentet de planlegger å utføre, betyr at det er mange teknikker for å manipulere og avkjøle atomene vi trenger for å tilpasse for mikrogravitet, før vi overfører instrumentet til de viktigste etterforskerne for å begynne vitenskapelige operasjoner. ”
Gitt tid kan Cold Atom Lab (CAL) hjelpe forskere til å forstå hvordan tyngdekraften fungerer på de minste skalaene. Kombinert med høyteknologiske eksperimenter utført av CERN og andre partikkelfysikklaboratorier rundt om i verden, kan dette til slutt føre til en teori om alt (ToE) og en fullstendig forståelse av hvordan universet fungerer.
Og husk å sjekke ut denne kule videoen (ingen ordspill!) Av CAL-anlegget også, med tillatelse fra NASA:
