Nasan Tiedelennon direktoraatti

Tammi. 30, 2014: kaikki tietävät, että avaruus on kylmä. Tähtien ja galaksien välisellä valtavalla kuilulla kaasumaisen aineen lämpötila laskee rutiininomaisesti 3 asteeseen eli 454 pakkasasteeseen.

kohta kylmenee entisestään.

Nasan tutkijat aikovat luoda tunnetun maailmankaikkeuden kylmimmän kohdan kansainvälisen avaruusaseman sisälle.

“aiomme tutkia ainetta paljon kylmemmissä lämpötiloissa kuin mitä on luonnostaan”, JPL: n Rob Thompson sanoo. Hän on Nasan Kylmäatomilaboratorion projektitutkija, atomijääkaappi, joka suunniteltiin laukaistavaksi ISS: lle vuonna 2016. “Pyrimme painamaan tehokkaat lämpötilat 100 pico-Kelviniin.”

100 pico-Kelvin on vain asteen kymmenmiljardisosa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, missä kaikki atomien lämpöaktiivisuus teoriassa pysähtyy. Näin alhaisissa lämpötiloissa tavalliset käsitteet kiinteä, neste ja kaasu eivät ole enää merkityksellisiä. Atomit, jotka vuorovaikuttavat juuri nollaenergian kynnyksen yläpuolella, synnyttävät uusia oleellisia ainemuotoja … kvantti.

kvanttimekaniikka on fysiikan haara, joka kuvaa valon ja aineen outoja sääntöjä atomiasteikolla. Siinä maailmassa aine voi olla kahdessa paikassa yhtä aikaa; kappaleet käyttäytyvät sekä hiukkasina että aaltoina; eikä mikään ole varmaa: kvanttimaailma kulkee todennäköisyydellä.

kylmäatomilaboratoriota käyttävät tutkijat syöksyvät juuri tähän outoon maailmaan.

“aloitamme Bosen-Einsteinin kondensaatteja tutkimalla”, Thompson sanoo.”

vuonna 1995 tutkijat havaitsivat, että jos ottaa muutaman miljoonan rubidiumatomin ja jäähdyttää ne lähelle absoluuttista nollapistettä, ne sulautuvat yhdeksi aineaalloksi. Temppu toimi myös natriumin kanssa. Vuonna 2001 Eric Cornell National Institute of Standards & Technologysta ja Carl Wieman Coloradon yliopistosta jakoivat Nobelin palkinnon MIT: n Wolfgang Ketterlen kanssa näiden kondensaattien itsenäisestä löytämisestä, jonka Albert Einstein ja Satyendra Bose olivat ennustaneet 1900-luvun alussa.

jos luot kaksi Becsiä ja laitat ne yhteen, ne eivät sekoitu kuin tavallinen kaasu. Sen sijaan ne voivat “häiritä” aaltojen tavoin: ohuita, yhdensuuntaisia ainekerroksia erottaa toisistaan ohut tyhjän tilan kerros. Atomi yhdessä BECISSÄ voi lisätä itsensä atomiin toisessa BECISSÄ ja tuottaa-ei atomia lainkaan.

“Kylmäatomilaboratorio mahdollistaa näiden kohteiden tutkimisen ehkä kaikkien aikojen alhaisimmissa lämpötiloissa, Thompson sanoo.

laboratorio on myös paikka, jossa tutkijat voivat sekoittaa supersiistejä atomikaasuja ja katsoa, mitä tapahtuu. Thompson selittää:” erityyppisten atomien seokset voivat leijua keskenään lähes täysin ilman häiriöitä, minkä ansiosta voimme tehdä herkkiä mittauksia hyvin heikoista vuorovaikutuksista. Tämä voisi johtaa mielenkiintoisten ja uudenlaisten kvantti-ilmiöiden löytymiseen.”

avaruusasema on paras paikka tehdä tätä tutkimusta. Mikrogravitaation avulla tutkijat voivat jäähdyttää materiaaleja paljon kylmempiin lämpötiloihin kuin maassa on mahdollista.

Thompson selittää miksi:

“termodynamiikan perusperiaate on, että kun kaasu laajenee, se jäähtyy. Useimmilla meistä on käytännön kokemusta tästä. Jos suihkuttaa aerosolipurkin, tölkki jäähtyy.”

Kvanttikaasut jäähtyvät paljolti samalla tavalla. Aerosolin sijasta meillä on kuitenkin magneettinen ansa.”

” ISS: llä nämä ansat voidaan tehdä hyvin heikoiksi, koska niiden ei tarvitse tukea atomeja painovoiman vetovoimaa vastaan. Heikot ansat mahdollistavat kaasujen laajenemisen ja jäähtymisen alhaisempiin lämpötiloihin kuin maassa on mahdollista.”

kukaan ei tiedä, mihin tämä perustutkimus johtaa. Jopa Thompsonin luettelemat “käytännölliset” Sovellukset-kvanttisensorit, aineaaltointerferometrit ja atomilaserit—vain muutamia mainitakseni-kuulostavat tieteiskirjallisuudelta. “Olemme astumassa tuntemattomaan”, hän sanoo.

Thompsonin kaltaiset tutkijat pitävät kylmän atomin laboratoriota ovena kvanttimaailmaan. Voisiko ovi heilua molempiin suuntiin? Jos lämpötila laskee tarpeeksi alas, ” pystymme kokoamaan atomiaaltopaketteja, jotka ovat yhtä leveitä kuin ihmisen hius-eli niin suuria, että ihmissilmä näkee.”Kvanttifysiikan olento on tullut makroskooppiseen maailmaan.

ja sitten alkaa todellinen jännitys.

lisätietoja Kylmäatomilaboratoriosta löytyy vierailulta coldatomlab.jpl.nasa.gov

tekijä: Dr. Tony Phillips | tuotanto toimittaja: Dr. Tony Phillips / Credit: Science@NASA