Tworzenie kondensatów Bosego-Einsteina i zderzanie ich ze sobą w mikrograwitacji może doprowadzić do przełomowych odkryć w fizyce, lepszej nawigacji statków kosmicznych i nie tylko.
Nawet dla naukowców, którzy poświęcili swoje życie na zrozumienie grawitacji, nieubłagane ciągnięcie tej siły w dół jest czasem przeszkodą. Weźmy na przykład pod uwagę naukowców, którzy badają kondensaty Bosego-Einsteina (BEC) jako precyzyjne narzędzia fundamentalnej fizyki. Kondensaty BEC powstają, gdy rozrzedzony gaz atomów zostaje schłodzony do temperatury bliskiej zera absolutnego i zaczyna zachowywać się jak pojedynczy, dziwny kawałek materii kwantowej - podobnie jak wijące się cząsteczki wody zamieniają się w bryłę lodu po schłodzeniu. Te dziwne skupiska powiększają inaczej ukryte efekty kwantowo-mechaniczne, takie jak falowa natura materii, czyniąc je widocznymi w makroskali. Jednak czasami zgubny wpływ grawitacji może stanąć na przeszkodzie.
Ziemskie ucieczki z grawitacyjnego uścisku polegają na poddaniu BEC swobodnemu spadaniu, zwykle na krótkich odcinkach na przykład samolotów lecących po parabolicznych łukach. Jednak najlepszym rozwiązaniem jest prawdopodobnie pozostawienie Ziemi za sobą i umieszczenie BEC w rakietach, aby doświadczyć dłuższych okresów nieważkiego swobodnego spadania w przestrzeni kosmicznej.
Niedawno zespół fizyków wspieranych przez niemiecką agencję kosmiczną doniósł, że właśnie to zrobił. W lutym tego roku w Nature Communications opublikowali oni wyniki eksperymentu z 2017 roku, w którym wyprodukowali kondensaty Bosego-Einsteina na chipie wielkości milimetra w suborbitalnej rakiecie pomiarowej prawie 300 kilometrów nad powierzchnią planety. BEC-y następnie zderzyły się ze sobą w warunkach mikrograwitacji, co pozwoliło fizykom badać zderzenia w najdrobniejszych szczegółach. Ich misja, MAIUS-1, była pierwszą udaną próbą zderzenia BEC w przestrzeni kosmicznej i wskazuje drogę do nowych kosmicznych testów fundamentalnej fizyki.
Zderzenia kondensatów
Kiedy dwa kondensaty Bosego-Einsteina zderzają się ze sobą, zamiast odbijać się od siebie, jak to zwykle robią atomy, oddziałują jak fale. Kiedy ich szczyty się pokrywają, tworzą jeszcze wyższą falę. Jeśli szczyt jednej fali materii pokrywa się z dołem drugiej, fale te znoszą się wzajemnie, pozostawiając po sobie pustą przestrzeń. Spotkanie dwóch nieprawidłowo ustawionych kondensatów skutkuje powstaniem wzoru interferencji fal: naprzemienne jasne pasy w miejscach, gdzie obie fale wzajemnie się wzmacniały i ciemne pasy w miejscach, gdzie się unicestwiały. Tworzenie i badanie takich wzorów w materii nazywane jest interferometrią atomową.
Na pokładzie rakiety MAIUS-1, starannie zaplanowany system laserów rozszczepia ultra zimne atomy na wiele fal materii, zanim pozwolą im się zderzyć. Obrazy przechwycone wewnątrz rakiety i przeanalizowane po powrocie na Ziemię pokazały szczegółowy wzór interferencyjny, który wynikał z niewielkich różnic w kształtach i położeniu szczytów i spadków każdego BEC. Badając takie szczegóły, naukowcy mogli stwierdzić, czy przed zderzeniem fale materii zostały zmienione przez oddziaływanie ze światłem lub innymi siłami w ich otoczeniu.
"Atomy są wrażliwe na wszystko" - mówi Naceur Gaaloul, fizyk z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze w Niemczech i współautor badań. Wzór prążków wytworzonych przez zderzające się BEC-y, mówi Gaaloul, jest trochę jak wykopalisko archeologiczne: pomaga naukowcom określić dokładną historię fal materii przed zderzeniem i wskazać wszystko, co mogło przesunąć ich szczyty i doliny.
Przyciąganie grawitacyjne komplikuje to wszystko, ponieważ sprawia, że BEC opadają, podczas gdy poruszają się ku sobie, co skutkuje znikomo krótkimi zderzeniami i rozmytymi wzorami interferencyjnymi. Warunki mikrograwitacji w przestrzeni kosmicznej znoszą te ograniczenia.
Jak twierdzi Maike D. Lachmann, fizyk z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze i główna autorka badań, ucieczka od grawitacji zawsze była motywacją jej zespołu. "Wszystko zaczęło się w ramach współpracy, której celem było przeprowadzenie eksperymentów w wieży spadkowej" - wspomina. "Ale długoterminowym celem zawsze był wylot w kosmos". Zrzucanie ultrazimnych atomów z prawie 150-metrowej wieży kupiło naukowcom kilka sekund mikrograwitacji. Rakieta MAIUS-1 zwiększyła ten czas do prawie sześciu minut.
"Mikrograwitacja jest po prostu naprawdę tam, gdzie chcesz", mówi Cass Sackett, fizyk z Uniwersytetu Wirginii, który nie był zaangażowany w badania. "Spodziewam się, że w miarę upływu czasu zobaczymy interferometry atomowe w kosmosie, które są lepsze niż cokolwiek, co było na ziemi". W 2018 roku NASA wystrzeliła w kosmos eksperyment z ultrazimnym atomem. Należące do agencji kosmicznej Cold Atom Laboratory (CAL) od tamtej pory chłodzi atomy na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).
Na pokładzie rakiety MAIUS-1, starannie zaplanowany system laserów rozszczepia ultra zimne atomy na wiele fal materii, zanim pozwolą im się zderzyć. Obrazy przechwycone wewnątrz rakiety i przeanalizowane po powrocie na Ziemię pokazały szczegółowy wzór interferencyjny, który wynikał z niewielkich różnic w kształtach i położeniu szczytów i spadków każdego BEC. Badając takie szczegóły, naukowcy mogli stwierdzić, czy przed zderzeniem fale materii zostały zmienione przez oddziaływanie ze światłem lub innymi siłami w ich otoczeniu.
"Atomy są wrażliwe na wszystko" - mówi Naceur Gaaloul, fizyk z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze w Niemczech i współautor badań. Wzór prążków wytworzonych przez zderzające się BEC-y, mówi Gaaloul, jest trochę jak wykopalisko archeologiczne: pomaga naukowcom określić dokładną historię fal materii przed zderzeniem i wskazać wszystko, co mogło przesunąć ich szczyty i doliny.
Przyciąganie grawitacyjne komplikuje to wszystko, ponieważ sprawia, że BEC opadają, podczas gdy poruszają się ku sobie, co skutkuje znikomo krótkimi zderzeniami i rozmytymi wzorami interferencyjnymi. Warunki mikrograwitacji w przestrzeni kosmicznej znoszą te ograniczenia.
Jak twierdzi Maike D. Lachmann, fizyk z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze i główna autorka badań, ucieczka od grawitacji zawsze była motywacją jej zespołu. "Wszystko zaczęło się w ramach współpracy, której celem było przeprowadzenie eksperymentów w wieży spadkowej" - wspomina. "Ale długoterminowym celem zawsze był wylot w kosmos". Zrzucanie ultrazimnych atomów z prawie 150-metrowej wieży kupiło naukowcom kilka sekund mikrograwitacji. Rakieta MAIUS-1 zwiększyła ten czas do prawie sześciu minut.
"Mikrograwitacja jest po prostu naprawdę tam, gdzie chcesz", mówi Cass Sackett, fizyk z Uniwersytetu Wirginii, który nie był zaangażowany w badania. "Spodziewam się, że w miarę upływu czasu zobaczymy interferometry atomowe w kosmosie, które są lepsze niż cokolwiek, co było na ziemi". W 2018 roku NASA wystrzeliła w kosmos eksperyment z ultrazimnym atomem. Należące do agencji kosmicznej Cold Atom Laboratory (CAL) od tamtej pory chłodzi atomy na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).
Sekwencja obrazów o fałszywych kolorach pokazuje formowanie się
kondensatu Bosego-Einsteina wewnątrz prototypu Laboratorium Zimnego
Atomu, urządzenia znajdującego się obecnie na pokładzie Międzynarodowej
Stacji Kosmicznej. Credit: NASA i JPL-Caltech.
Zdolność CAL do tworzenia stanów kwantowych w mikrograwitacji, aby naukowcy mogli się nimi bawić, urzekła wielu fizyków, w tym Sackett. Anita Sengupta, inżynier lotnictwa i kosmonautyki, która pełniła funkcję kierownika projektu CAL przez pierwsze pięć lat jego rozwoju i nie brała udziału w nowych badaniach, podziela ten pogląd. "Moją osobistą motywacją było stworzenie urządzenia do badania fundamentalnej fizyki BEC, aby otworzyć nowe drzwi do świata kwantów" - mówi. Jak dodaje Sengupta, naukowcy korzystający z CAL przeprowadzili niedawno eksperymenty interferometrii atomowej podobne do tych, które wykonał zespół MAIUS-1.
Zastosowania zimnych atomów
Niezależnie od konkretnej platformy kosmicznej, wspólnym celem badań nad interferometrią atomową jest sprawdzenie fundamentalnej zasady, że ciała o różnym składzie spadają w tym samym tempie pod wpływem grawitacji. Według Lachmanna wielokrotne przeprowadzenie eksperymentu MAIUS-1 z interferencją fal materii przy użyciu partii atomów różniących się pod względem pierwiastkowym, pozwoliłoby przetestować tę ideę z niespotykaną dotąd precyzją. W mało prawdopodobnym przypadku, gdyby grawitacja poruszyła jeden zestaw atomów bardziej niż drugi, ich dwa wzory prążków byłyby widocznie różne.
Ekstremalna precyzja, jaką oferuje interferometria atomowa, otwiera również niewielką możliwość, że sygnatury egzotycznych sił, być może tych związanych z niektórymi modelami ciemnej energii, mogłyby zostać dostrzeżone dzięki tej technice.
Ekstremalna precyzja, jaką oferuje interferometria atomowa, otwiera również niewielką możliwość, że sygnatury egzotycznych sił, być może tych związanych z niektórymi modelami ciemnej energii, mogłyby zostać dostrzeżone dzięki tej technice.
Bardziej bezpośrednie i praktyczne zastosowanie urządzeń takich jak chip MAIUS-1 może pojawić się w nawigacji po niebie. Ponieważ wzory interferencyjne BEC są tak wrażliwe na nawet najmniejsze fluktuacje grawitacji, mogą być wykorzystane do mapowania szczegółów pól grawitacyjnych. Podobnie jak mapy podwodnych prądów pomagają w nawigacji statkom, mapy pól grawitacyjnych mogą być przydatne w precyzyjnym dostrajaniu manewrów statku kosmicznego w głębokiej przestrzeni kosmicznej.
Podczas swojej misji, zespół MAIUS-1 osiągnął już kilka technologicznych postępów. Eksperyment naukowców zmieścił się na pojedynczym, wytrzymałym chipie, zamiast rozkładać się na dużym stole, jak to ma miejsce w większości naziemnych laboratoriów - ponieważ musiał on przetrwać wyboisty lot rakiety przez ziemską atmosferę. Ponadto, naukowcy nie mogli komunikować się z rakietą po jej starcie, więc autonomiczne systemy chłodziły, manipulowały i obrazowały atomy. W przyszłości naukowcy chcą wyposażyć rakietę w powszechnie stosowane czujniki nawigacyjne i porównać ich działanie z działaniem ich chipa.
Na razie naukowcy z NASA i MAIUS-1 współpracują nad rozwojem ulepszeń, które w przyszłości zostaną zainstalowane w CAL-u na pokładzie ISS, co da więcej możliwości eksperymentów w mikrograwitacji, w tym wykorzystanie atomów o spinach magnetycznych lub silnie oddziałujących ze sobą. Łącząc swoje doświadczenia w próbach wyrwania atomów z przyciągania grawitacyjnego, naukowcy mają nadzieję, że w przestrzeni kosmicznej uda im się umieścić fundamentalną fizykę pod jeszcze mocniejszą lupą.
Podczas swojej misji, zespół MAIUS-1 osiągnął już kilka technologicznych postępów. Eksperyment naukowców zmieścił się na pojedynczym, wytrzymałym chipie, zamiast rozkładać się na dużym stole, jak to ma miejsce w większości naziemnych laboratoriów - ponieważ musiał on przetrwać wyboisty lot rakiety przez ziemską atmosferę. Ponadto, naukowcy nie mogli komunikować się z rakietą po jej starcie, więc autonomiczne systemy chłodziły, manipulowały i obrazowały atomy. W przyszłości naukowcy chcą wyposażyć rakietę w powszechnie stosowane czujniki nawigacyjne i porównać ich działanie z działaniem ich chipa.
Na razie naukowcy z NASA i MAIUS-1 współpracują nad rozwojem ulepszeń, które w przyszłości zostaną zainstalowane w CAL-u na pokładzie ISS, co da więcej możliwości eksperymentów w mikrograwitacji, w tym wykorzystanie atomów o spinach magnetycznych lub silnie oddziałujących ze sobą. Łącząc swoje doświadczenia w próbach wyrwania atomów z przyciągania grawitacyjnego, naukowcy mają nadzieję, że w przestrzeni kosmicznej uda im się umieścić fundamentalną fizykę pod jeszcze mocniejszą lupą.
Źródło: scientificamerican.com
