NASA Science Mission Directorate

Jan. 30, 2014: iedereen weet dat de ruimte koud is. In de enorme kloof tussen sterren en sterrenstelsels daalt de temperatuur van gasvormige materie routinematig tot 3 graden K, of 454 graden onder nul Fahrenheit.

het wordt nog kouder.NASA-onderzoekers zijn van plan om de koudste plek in het bekende heelal te creëren binnen het International Space Station.

“we gaan materie bestuderen bij temperaturen die veel kouder zijn dan natuurlijk wordt gevonden”, zegt Rob Thompson van JPL. Hij is de projectwetenschapper van NASA ‘ s Cold Atom Lab, een atomaire ‘koelkast’ gepland voor lancering naar het ISS in 2016. “We streven ernaar om effectieve temperaturen te verlagen tot 100 pico-Kelvin.”

100 pico-Kelvin is slechts een tien miljardste van een graad boven het absolute nulpunt, waar alle thermische activiteit van atomen theoretisch stopt. Bij zulke lage temperaturen zijn gewone concepten van vast, vloeibaar en gas niet langer relevant. Atomen die net boven de drempel van nul-energie in wisselwerking staan, creëren nieuwe vormen van materie die in wezen bestaan … Quantum.

de kwantummechanica is een tak van de fysica die de bizarre regels van licht en materie op atomaire schalen beschrijft. In dat rijk kan materie op twee plaatsen tegelijk zijn; objecten gedragen zich als deeltjes en golven; en niets is zeker: de kwantumwereld draait op waarschijnlijkheid.

het is in dit vreemde rijk dat onderzoekers die het Cold Atom Lab gebruiken een duik zullen nemen.

” we zullen beginnen, “zegt Thompson,” door het bestuderen van Bose-Einstein condensaten.”

in 1995 ontdekten onderzoekers dat als je een paar miljoen rubidium-atomen zou nemen en afkoelen bij het absolute nulpunt, ze zouden samensmelten tot een enkele golf materie. De truc werkte ook met natrium. In 2001 deelden Eric Cornell van het National Institute of Standards & Technology en Carl Wieman van de Universiteit van Colorado de Nobelprijs met Wolfgang Ketterle van het MIT voor hun onafhankelijke ontdekking van deze condensaten, die Albert Einstein en Satyendra Bose hadden voorspeld in het begin van de 20e eeuw.

als je twee BECs maakt en ze samenvoegt, mengen ze niet als een gewoon gas. In plaats daarvan kunnen ze” interfereren ” zoals golven: dunne, parallelle lagen van materie worden gescheiden door dunne lagen van lege ruimte. Een atoom in een BEC kan zichzelf toevoegen aan een atoom in een andere BEC en produceren – helemaal geen atoom.

“Het Cold Atom Lab zal ons toelaten om deze objecten te bestuderen bij misschien wel de laagste temperaturen ooit,” zegt Thompson.

het lab is ook een plek waar onderzoekers superkoele atomaire gassen kunnen mengen en zien wat er gebeurt. “Mengsels van verschillende soorten atomen kunnen bijna geheel vrij van verstoringen samen zweven”, legt Thompson uit, ” waardoor we gevoelige metingen kunnen doen van zeer zwakke interacties. Dit zou kunnen leiden tot de ontdekking van interessante en nieuwe kwantumfenomenen.”

het ruimtestation is de beste plaats om dit onderzoek te doen. Microzwaartekracht stelt onderzoekers in staat om materialen te koelen tot temperaturen die veel kouder zijn dan op de grond mogelijk is.

Thompson legt uit waarom:

” het is een basisprincipe van de thermodynamica dat wanneer een gas uitzet, het afkoelt. De meesten van ons hebben hier praktijkervaring mee. Als je een blikje spuit, wordt het koud.”

Kwantumgassen worden op dezelfde manier gekoeld. In plaats van een aerosol kan, echter, hebben we een ‘magnetische val.”

” op het ISS kunnen deze vallen zeer zwak worden gemaakt omdat ze de atomen niet hoeven te ondersteunen tegen de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Door zwakke vallen kunnen gassen uitzetten en afkoelen tot lagere temperaturen dan op de grond mogelijk is.”

niemand weet waar dit fundamenteel onderzoek toe zal leiden. Zelfs de “praktische” toepassingen die Thompson noemt-kwantumsensoren, materiegolfinterferometers en atomaire lasers, om er maar een paar te noemen—klinken als sciencefiction. “We gaan het onbekende binnen”, zegt hij.Onderzoekers als Thompson zien Het Cold Atom Lab als een doorgang naar de kwantumwereld. Kan de deur naar beide kanten slingeren? Als de temperatuur laag genoeg daalt, ” zullen we atomaire golfpakketten kunnen samenstellen zo breed als een mensenhaar — dat wil zeggen groot genoeg voor het menselijk oog om te zien.”Een wezen van de kwantumfysica zal de macroscopische wereld zijn binnengedrongen.

en dan begint de echte opwinding.

voor meer informatie over het Cold Atom Lab, bezoek coldatomlab.jpl.nasa.gov

auteur: Dr. Tony Phillips | Production editor: Dr. Tony Phillips / Credit: wetenschap@NASA