Този месец се навършват 25 години, откакто учените за първи път са произвели пето състояние на материята, което има изключителни свойства, напълно различно от твърдите вещества, течностите, газовете и плазмите. Постижението получи Нобелова награда и промени физиката.
Ново проучване в списанието Nature надгражда това наследство. През юли 2018 г. лабораторията Cold Atom на НАСА стана първото съоръжение, което произвежда в орбита вещества в това пето състояние, наречено кондензат на Бозе-Айнщайн (BEC). Основно физическо съоръжение на Международната космическа станция, Cold Atom Lab охлажда атомите до ултра студени температури, за да изучи основните им физични свойства по начини, които не биха били възможни на Земята. Сега екипът на мисията докладва за подробностите около въвеждането на тази уникална лаборатория, както и за напредъка на лабораторния екип към дългосрочната цел за използване на микрогравитацията за изучаване на нови характеристики на квантовия свят.
Независимо дали го осъзнавате или не, квантовата механика докосва живота ни всеки ден. Тя е отрасъл на физиката, който се фокусира върху поведението на атомите и субатомните частици и е основополагаща за много компоненти в съвременните технологии, включително мобилни телефони и компютри, които се възползват от вълновата природа на електроните в силиция.
Въпреки че първите квантови явления са наблюдавани преди повече от век, учените все още откриват нови факти относно тази сфера от нашата Вселена.
Колкото по-студени са атомите, толкова по-бавно се движат и по-лесно се изучават. Съоръженията с ултра студени атоми като лаборатория Cold Atom охлаждат атомите до част от градус над абсолютната нула или температурата, при която теоретично биха спрели да се движат изцяло.
Охладените атоми са и единственият начин за получаване на Бозе-Айнщайн кондензат. Учените го произвеждат във вакуум, но на Земята атомите падат заради гравитацията и бързо се озовават на пода на камерата, като обикновено ограничават времето на наблюдение до по-малко от секунда. В безтегловността на космическата станция тези атоми могат да плават. В лабораторията Cold Atom това означава по-дълго време за наблюдение.
За разлика от твърди вещества, течности, газове и плазми, BEC не се образува естествено. Те служат като ценен инструмент за квантовите физици, тъй като всички атоми в BEC имат еднаква квантова идентичност, така че колективно проявяват свойства, които обикновено се проявяват само от отделни атоми или субатомни частици. По този начин, BEC правят тези микроскопични характеристики видими в макроскопичен мащаб.
Предишни експерименти с ултра студени атоми са използвали сондажни ракети или са пуснали специално проектирания хардуер от върха на високи кули, за да създадат секунди или минути безтегловност по същия начин, както самолет с нулева гравитация. Откакто е на МКС, Cold Atom Lab предостави на учените хиляди часове време за експерименти с микрогравитация. Това им позволява да повтарят експериментите си многократно и да упражняват повече креативност и гъвкавост.
„С лабораторията Cold Atom учените могат да видят данните си в реално време и да направят корекции в експериментите си на мига“, казва Джейсън Уилямс, член на научния екип на Cold Atom Lab. „Тази гъвкавост означава, че можем да се научим бързо и да адресираме нови въпроси, докато възникнат.“
Съоръженията за ултра студени атоми в космоса също могат да достигат по-ниски температури от лабораториите на повърхността на Земята. Един от начините за това е просто да накарате облаците на ултра студени атоми да се разширяват бавно, което ги охлажда. Процес, който е по-лесно да се направи без гравитация, „дърпаща“ атомите към земята.
На Земята най-студените температури и най-дългите времена за наблюдение са постигнати само чрез експерименти в цели стаи, пълни със специален хардуер. Cold Atom лабораторията с размер на съдомиялна машина все още не е поставила нови рекорди в тези категории, но основните й предимства са най-вече да обедини способностите на изключително голяма лаборатория в малък пакет, който може да бъде изпратен в космоса.
„Наистина мисля, че току-що започнахме да навлизаме в това, което може да се проучи, използвайки експерименти с ултра студени атоми в микрогравитацията“, казва Итън Елиът, член на научния екип на Cold Atom Lab. „Наистина съм развълнуван да видя какво ще направи физическа общност с тази възможност в дългосрочен план.“
Лабораторията Cold Atom вече работи успешно от две години, а наскоро астронавтите помогнаха за надграждането на съоръжението с нов инструмент, наречен атомен интерферометър, който използва движението на атоми за прецизното измерване на сили, включително гравитацията. Екипът наскоро потвърди, че новият инструмент работи както се е очаквало, което го прави първият атомен интерферометър, функциониращ в космоса.
