Fiziķi uz SKS rada eksotisku "piekto matērijas formu"

Fiziķi uz SKS rada eksotisku "piekto matērijas formu"
Fiziķi uz SKS rada eksotisku "piekto matērijas formu"
Anonim

Saskaņā ar neseno rakstu žurnālā Nature, Kalifornijas Tehnoloģiju institūta un reaktīvo dzinēju laboratorijas fiziķi kosmosā ir radījuši retu kvantu stāvokli, kas pazīstams kā Bose-Einšteina kondensāts (BEC). Fiziķi to izdarīja, ievietojot kompaktu eksperimentālu iekārtu, kas bija mini ledusskapja izmēra, uz Starptautiskās kosmosa stacijas (SKS). To sauc par Cold Atom Laboratory (CAL), citiem vārdiem sakot, "foršākā vieta Visumā".

BEC ir nosaukta Alberta Einšteina un indiešu fiziķa Satendras Bose vārdā, kura 20.gadsimta divdesmitajos gados paredzēja iespēju, ka atomu viļņotā daba var ļaut atomiem izplatīties un pārklāties, ja tie ir pietiekami tuvu viens otram. Normālā temperatūrā atomi darbojas kā biljarda bumbiņas, atlecot viens no otra. Zemāka temperatūra samazina to ātrumu. Ja temperatūra kļūst pietiekami zema (miljarda daļa no grāda virs absolūtās nulles) un atomi ir pietiekami cieši sapakoti, dažādu vielu viļņi var "sajust" viens otru un koordinēties, it kā tie būtu viens liels "superatoms".

Fiziķi Ēriks Kornels un Karls Wieman, kas toreiz bija Kolorādo universitātes JILA laboratorijā, 1995. gadā laboratorijā izveidoja pirmos BEC. Izmantojot lāzera slazdu, tie atdzesēja aptuveni 10 miljonus rubīdija gāzes atomu; atdzesētos atomus noturēja magnētiskais lauks. Bet atomi joprojām nebija pietiekami auksti, lai izveidotu BEC, tāpēc viņi pievienoja otro soli - iztvaikošanas dzesēšanu, kurā tiek koordinēts magnētisko lauku tīkls, lai izspiestu karstākos atomus, lai aukstākie atomi varētu tuvināties. Šis process darbojas aptuveni tādā pašā veidā, kā iztvaikošanas dzesēšana notiek ar rīta kafijas tasi - karstāki atomi paceļas magnētiskās slazda augšpusē un "izlec" kā tvaiki.

Līdz 2001. gada septembrim vairāk nekā trīs desmiti komandu atkārtoja eksperimentu. Šis atklājums iezīmēja pilnīgi jaunas fizikas nozares sākumu. BEC ļauj zinātniekiem izpētīt dīvaino, mazo kvantu fizikas pasauli tā, it kā viņi uz to skatītos caur palielināmo stiklu; BEC "pastiprina" atomus tādā pašā veidā, kā lāzers pastiprina fotonus. Vīmanis, Kornels un Volfgangs Ketteri par sasniegumiem dalīja 2001. gada Nobela prēmiju fizikā.

Vācu eksperiments MAIUS 1 (mātes viļņu interferometrija mikrogravitācijā) radīja BEC kosmosā 2017. gadā, sešu minūšu mikrogravitācijas lidojuma fāzē uz skanējošas raķetes. Laboratorijas aprīkojums, kas nepieciešams, lai izveidotu BEC uz Zemes, aizņem mazāk nekā 1 m3, un tā darbībai nepieciešami tikai aptuveni 510 vati, kas padara to ideāli piemērotu eksperimentiem ar ISS. CAL instruments tika uzstādīts uz kuģa 2018. gada maijā. Iekārta pašlaik izmanto rubīdija atomus, lai izveidotu BEC, bet tiek plānots maisījumā iekļaut kālija atomus, lai izpētītu jaukto BEC fiziku.

Tas ir ievērojams progress, jo kosmosā radītie BEC ilgst ilgāk nekā uz zemes esošās laboratorijās pat pēc slēgtu slazdu izslēgšanas, dodot fiziķiem nedaudz vairāk laika, lai izpētītu eksotisko vielas stāvokli - vienu sekundi, salīdzinot ar sekundes daļām.. uz zemes. Kā skaidro Neil Patel žurnālā Technology Review.

Lai veiktu eksperimentus, izmantojot BEC, mums jāizslēdz vai jāatbrīvo magnētiskais slazds. Atomu mākonis paplašināsies, kas ir noderīgi, jo BEC ir jāpaliek aukstiem un izplešanās laikā gāzēm ir tendence atdzist. Bet, ja atomi BEC atrodas pārāk tālu viens no otra, tie vairs neizturas kā kondensāts. Šeit parādās zema Zemes orbītas mikrogravitācija. Ja jūs mēģināt palielināt skaļumu uz Zemes, saka JPL fiziķis Deivids Evelins, nesen publicēta raksta Nature līdzautors, gravitācija vienkārši izvilks atomus BEC mākoņa centrā līdz slazda apakšai, līdz tie izlīs., izkropļojot kondensātu vai pilnībā to iznīcinot.

Bet mikrogravitācijas gadījumā CAL instrumenti var turēt kopā atomus pat tad, ja tiek palielināts slazda apjoms. Tas padara kondensātu ilgmūžīgāku, kas savukārt ļauj zinātniekiem to pētīt ilgāk, nekā varētu uz Zemes (sākotnējā demonstrācija bija 1,18 sekundes gara, lai gan mērķis ir spēt izpētīt mākoni 10 sekundes).

"Mēs veiksim BEC eksperimentus katru dienu, daudzas stundas dienā," sacīja Evelīna. Instruments ir pilnībā vadāms ar tālvadību. Mēs to darbinām no datoriem uz Zemes."

Sākotnēji bija paredzēts, ka CAL darbosies apmēram gadu, pirms bija nepieciešamas rezerves daļas, taču astronauti uz SKS - īpaši Christina Koch - veica kritisku apkopi, lai pagarinātu tā kalpošanas laiku. Instruments ir darbojies divus gadus. Jaunākie uzlabojumi ietver atomu interferometru, kas var izmantot BEC, lai izmērītu visas gravitācijas izmaiņas uz planētas virsmas. BEC galu galā varētu atklāt arī aksionus, teorētiski aukstas tumšās vielas daļiņas, vai izmantot, lai atrastu tumšās enerģijas avotus.

"Agrāk mūsu galvenā izpratne par dabas iekšējo darbību ir radusies no daļiņu paātrinātājiem un astronomijas observatorijām," sacīja līdzautors Roberts Tompsons no Caltech. "Es uzskatu, ka precīziem mērījumiem, izmantojot aukstos atomus, nākotnē būs arvien lielāka nozīme."

Ieteicams: