Устройство NASA Cold Atom Laboratory (CAL) было установлено в научной лаборатории США на МКС в конце мая для создания облаков ультрахолодных атомов, известных как конденсат Бозе-Эйнштейна. Этот конденсат достигает температуры чуть выше абсолютного нуля, при которой атомы теоретически полностью прекращают движение. Конденсат получили на орбите впервые.
CAL – многопользовательское устройство, созданное с целью изучения фундаментальных законов природы с использованием ультрахолодных квантовых газов в условиях микрогравитации. Холодные атомы – это долгоживущие, точно контролируемые квантовые частицы, которые обеспечивают идеальную платформу для изучения квантовых явлений и возможностей применения квантовых технологий. Это устройство NASA является первым в своём роде в космосе. Оно призвано повысить точность измерения силы тяжести, исследовать давние проблемы квантовой физики (изучение Вселенной в самых малых масштабах) и изучить волновую природу материи.
На прошлой неделе ученые CAL подтвердили, что в лаборатории был произведён конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов рубидия с температурой до 100 нанокельвинов, или на одну десятимиллионную долю одного Кельвина выше абсолютного нуля. (Абсолютный ноль или ноль градусов по шкале Кельвина равен -273 градуса Цельсия). Это холоднее средней температуры космоса, которая составляет около 3 Кельвинов (-270 градусов Цельсия). Но учёные CAL планируют достигнуть температуры более холодной, чем это удавалось во время экспериментов с конденсатом Бозе-Эйнштейна на Земле.
При этих ультрахолодных температурах атомы в конденсате начинают вести себя непохоже на что-либо ещё на Земле. Фактически конденсат Бозе-Эйнштейна характеризуется как пятое состояние материи, отличное от газов, жидкостей, твёрдых тел и плазмы. В нём атомы действуют, скорее, как волны, чем частицы. Волновая природа атомов обычно наблюдается только в микроскопических масштабах. Конденсат делает это явление макроскопическим и, следовательно, его намного легче изучить. Все ультрахолодные атомы принимают своё самое низкое энергетическое состояние и волновую идентичность, становясь неотличимыми друг от друга. Вместе атомные облака похожи на один «суператом» вместо отдельных атомов.
Не простой инструмент
Как правило, эксперименты с конденсатом Бозе-Эйнштейна задействуют оборудование, заполняющее целую комнату, и требуют почти постоянного контроля учёных, тогда как CAL имеет размер небольшого холодильника и может управляться удалённо с Земли.
Первый лабораторный конденсат был получен в 1995 году, но само явление было впервые предсказано на 71 год раньше физиками Сатиендрой Нат Бозе и Альбертом Эйнштейном. Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерли получили Нобелевскую премию по физике в 2001 году за то, что впервые создали и охарактеризовали конденсат Бозе-Эйнштейна в лаборатории. Пять научных групп, включая группы, возглавляемые Корнеллом и Кеттерл, проведут эксперименты с CAL в течение первого года работы устройства. Сотни экспериментов проводились на Земле с середины 1990-х годов, и несколько из них даже побывали в космосе на борту зондирующих ракет. CAL является первым подобным устройством на космической станции, где учёные могут проводить ежедневные исследования конденсата Бозе-Эйнштейна в течение длительного времени.
Конденсат создаётся в атомных или магнито-оптических ловушках на основе магнитных полей и лазеров. На Земле, когда эти ловушки отключены, гравитация тянет ультрахолодные атомы вниз, и их можно изучать только доли секунды. Постоянная микрогравитация на космической станции позволяет учёным наблюдать отдельные атомы конденсата в течение 5-10 секунд за раз, с возможностью повторять эти измерения до шести часов в день. Когда атомное облако распадается внутри атомной ловушки, его температура падает, и чем дольше облако остаётся в ловушке, тем холоднее оно становится. Это естественное явление (что падение давления также означает падение температуры) также является причиной того, что баллончик с краской становится холодным, когда краска распыляется: внутреннее давление баллона падает. В условиях микрогравитации конденсат Бозе-Эйнштейна может остывать до более низких температур, чем на Земле. Ежедневная работа CAL не требует вмешательства со стороны астронавтов на борту станции.
В дополнение к конденсату, сделанному из атомов рубидия, команда CAL работает над созданием конденсата, состоящего из двух разных изотопов атомов калия.
В настоящее время CAL находится на этапе ввода в эксплуатацию, в ходе которого группа учёных проводит длительную серию тестов для полного понимания работы устройства в условиях микрогравитации. Ожидается, что научная работа начнётся в начале сентября и продлится три года.
Лаборатория Cold Atom Laboratory была запущена на космическую станцию 21 мая 2018 года на борту космического корабля Cygnus военно-промышленной компании Northrop Grumman (ранее Orbital ATK) с космодрома NASA Уоллопс в Вирджинии. Разработанный и построенный в Лаборатории реактивного движения NASA, CAL спонсируется программой МКС Космического центра им. Линдона Джонсона в Хьюстоне, а также отделом прикладных исследований жизни и физики в космосе NASA в Вашингтоне.
Источник: jpl.nasa.gov
Перевод: Ольга Шатерникова