NASA Science Mission Directorate

Jan. 30, 2014: Jeder weiß, dass der Weltraum kalt ist. In der riesigen Kluft zwischen Sternen und Galaxien fällt die Temperatur gasförmiger Materie routinemäßig auf 3 Grad K oder 454 Grad unter Null Fahrenheit.

Es wird noch kälter.

NASA-Forscher planen, den kältesten Ort im bekannten Universum innerhalb der Internationalen Raumstation zu schaffen.

“Wir werden Materie bei Temperaturen untersuchen, die viel kälter sind als natürlich vorkommende”, sagt Rob Thompson vom JPL. Er ist der Projektwissenschaftler für das Cold Atom Lab der NASA, einen atomaren Kühlschrank, der 2016 zur ISS gebracht werden soll. “Wir wollen die effektiven Temperaturen auf 100 Pico-Kelvin drücken.”

100 pico-Kelvin ist nur ein Zehnmilliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, wo theoretisch die gesamte thermische Aktivität von Atomen aufhört. Bei solch niedrigen Temperaturen sind gewöhnliche Konzepte von Feststoff, Flüssigkeit und Gas nicht mehr relevant. Atome, die knapp über der Schwelle der Nullenergie interagieren, erzeugen neue Formen von Materie, die im Wesentlichen sind … Quanten.

Die Quantenmechanik ist ein Zweig der Physik, der die bizarren Regeln von Licht und Materie auf atomaren Skalen beschreibt. In diesem Bereich kann Materie an zwei Orten gleichzeitig sein; Objekte verhalten sich sowohl als Teilchen als auch als Wellen; und nichts ist sicher: Die Quantenwelt läuft auf Wahrscheinlichkeit.

In dieses seltsame Reich werden Forscher eintauchen, die das Cold Atom Lab nutzen.

“Wir beginnen”, sagt Thompson, “mit der Untersuchung von Bose-Einstein-Kondensaten.”

1995 entdeckten Forscher, dass, wenn man ein paar Millionen Rubidiumatome nimmt und sie nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlt, sie zu einer einzigen Materiewelle verschmelzen würden. Der Trick funktionierte auch mit Natrium. Im Jahr 2001 teilten sich Eric Cornell vom National Institute of Standards & Technology und Carl Wieman von der University of Colorado den Nobelpreis mit Wolfgang Ketterle vom MIT für ihre unabhängige Entdeckung dieser Kondensate, die Albert Einstein und Satyendra Bose im frühen 20.

Wenn Sie zwei BECs erstellen und zusammenfügen, mischen sie sich nicht wie ein gewöhnliches Gas. Stattdessen können sie wie Wellen “interferieren”: Dünne, parallele Materieschichten werden durch dünne Schichten leeren Raums getrennt. Ein Atom in einem BEC kann sich zu einem Atom in einem anderen BEC addieren und produzieren – überhaupt kein Atom.

” Das Cold Atom Lab wird es uns ermöglichen, diese Objekte bei den vielleicht niedrigsten Temperaturen aller Zeiten zu untersuchen “, sagt Thompson.

Das Labor ist auch ein Ort, an dem Forscher superkühle atomare Gase mischen und sehen können, was passiert. “Mischungen verschiedener Atomtypen können fast völlig störungsfrei zusammenschwimmen”, erklärt Thompson, “so können wir empfindliche Messungen sehr schwacher Wechselwirkungen durchführen. Dies könnte zur Entdeckung interessanter und neuartiger Quantenphänomene führen.”

Die Raumstation ist der beste Ort für diese Forschung. Die Schwerelosigkeit ermöglicht es Forschern, Materialien auf Temperaturen abzukühlen, die viel kälter sind als am Boden.

Thompson erklärt, warum:

“Es ist ein Grundprinzip der Thermodynamik, dass ein Gas, wenn es sich ausdehnt, abkühlt. Die meisten von uns haben praktische Erfahrung damit. Wenn Sie eine Dose Aerosole sprühen, wird die Dose kalt.”

Quantengase werden auf die gleiche Weise gekühlt. Anstelle einer Aerosoldose haben wir jedoch eine Magnetfalle.”

“Auf der ISS können diese Fallen sehr schwach gemacht werden, weil sie die Atome nicht gegen die Anziehungskraft der Schwerkraft stützen müssen. Schwache Fallen ermöglichen es Gasen, sich auszudehnen und auf niedrigere Temperaturen abzukühlen, als dies am Boden möglich ist.”

Niemand weiß, wohin diese Grundlagenforschung führen wird. Selbst die von Thompson aufgeführten “praktischen” Anwendungen – Quantensensoren, Materiewelleninterferometer und Atomlaser, um nur einige zu nennen — klingen nach Science Fiction. “Wir betreten das Unbekannte”, sagt er.

Forscher wie Thompson betrachten das Cold Atom Lab als Tür in die Quantenwelt. Könnte die Tür in beide Richtungen schwingen? Wenn die Temperatur niedrig genug fällt, “werden wir in der Lage sein, Atomwellenpakete so breit wie ein menschliches Haar zusammenzusetzen – das heißt, groß genug, damit das menschliche Auge sehen kann.” Ein Geschöpf der Quantenphysik wird in die makroskopische Welt eingetreten sein.

Und dann beginnt die wahre Aufregung.

Weitere Informationen über das Cold Atom Lab finden Sie unter coldatomlab.jpl.nasa.gov

Autor: Dr. Tony Phillips / Produktionsredakteur: Dr. Tony Phillips / Bildnachweis: Science@NASA