NASA Science Mission Directorate

Jan. 30, 2014: alla vet att rymden är kallt. I den stora klyftan mellan stjärnor och galaxer sjunker temperaturen i gasformigt material rutinmässigt till 3 grader K, eller 454 grader under noll Fahrenheit.

det är på väg att bli ännu kallare.

NASA-forskare planerar att skapa den kallaste platsen i det kända universum inuti den internationella rymdstationen.

“vi ska studera materia vid temperaturer som är mycket kallare än vad som finns naturligt”, säger Rob Thompson från JPL. Han är projektforskare för Nasas Cold Atom Lab, ett atomkylskåp som planeras för lansering till ISS 2016. “Vi strävar efter att driva effektiva temperaturer ner till 100 pico-Kelvin.”

100 pico-Kelvin är bara en tio miljarder av en grad över absolut noll, där all termisk aktivitet hos atomer teoretiskt stannar. Vid sådana låga temperaturer är vanliga begrepp fast, flytande och gas inte längre relevanta. Atomer som interagerar strax över tröskeln för nollenergi skapar nya former av materia som är väsentligen … Quantum.

kvantmekanik är en gren av fysiken som beskriver de bisarra reglerna för ljus och materia på atomskala. I det riket kan materien vara på två ställen samtidigt; objekt beter sig som både partiklar och vågor; och ingenting är säkert: kvantvärlden löper på Sannolikhet.

det är i denna märkliga värld som forskare som använder Cold Atom Lab kommer att störta.

“vi börjar”, säger Thompson, “genom att studera Bose-Einstein-kondensat.”

1995 upptäckte forskare att om du tog några miljoner rubidiumatomer och kylde dem nära absolut noll, skulle de smälta samman i en enda våg av materia. Tricket fungerade också med natrium. År 2001 delade Eric Cornell från National Institute of Standards & Technology och Carl Wieman från University of Colorado Nobelpriset med Wolfgang Ketterle från MIT för deras oberoende upptäckt av dessa kondensat, vilket Albert Einstein och Satyendra Bose hade förutspått i början av 20-talet.

om du skapar två BECs och sätter ihop dem, blandar de inte som en vanlig gas. Istället kan de “störa” som vågor: tunna, parallella lager av materia separeras av tunna lager av tomt utrymme. En atom i en BEC kan lägga sig till en atom i en annan BEC och producera – ingen atom alls.

“Cold Atom Lab gör det möjligt för oss att studera dessa föremål vid kanske de lägsta temperaturerna någonsin”, säger Thompson.

labbet är också en plats där forskare kan blanda supercoola atomgaser och se vad som händer. “Blandningar av olika typer av atomer kan flyta ihop nästan helt fria från störningar,” förklarar Thompson, “så att vi kan göra känsliga mätningar av mycket svaga interaktioner. Detta kan leda till upptäckten av intressanta och nya kvantfenomen.”

rymdstationen är det bästa stället att göra denna forskning. Mikrogravity tillåter forskare att kyla material till temperaturer mycket kallare än vad som är möjligt på marken.

Thompson förklarar varför:

“det är en grundläggande princip för termodynamik att när en gas expanderar svalnar den. De flesta av oss har praktisk erfarenhet av detta. Om du sprayar en burk aerosoler blir burken kall.”

Kvantgaser kyls på ungefär samma sätt. I stället för en aerosolburk har vi dock en magnetisk fälla.’

“på ISS kan dessa fällor göras mycket svaga eftersom de inte behöver stödja atomerna mot tyngdkraften. Svaga fällor tillåter gaser att expandera och svalna till lägre temperaturer än vad som är möjligt på marken.”

ingen vet vart denna grundforskning kommer att leda. Även de” praktiska ” applikationerna listade av Thompson—kvantsensorer, matter wave interferometrar och atomlasrar, för att bara nämna några—låter som science fiction. “Vi går in i det okända”, säger han.

forskare som Thompson tänker på Cold Atom Lab som en dörröppning till kvantvärlden. Kan dörren svänga åt båda hållen? Om temperaturen sjunker tillräckligt lågt, ” kommer vi att kunna montera atomvågspaket så breda som ett mänskligt hår-det vill säga tillräckligt stort för det mänskliga ögat att se.”En varelse av kvantfysik kommer att ha kommit in i den makroskopiska världen.

och sedan börjar den verkliga spänningen.

för mer information om Cold Atom Lab, besök coldatomlab.jpl.nasa.gov

författare: Dr. Tony Phillips | produktion redaktör: Dr. Tony Phillips / kredit: vetenskap@NASA