Η πιο δροσερή επιστήμη κατευθύνθηκε ποτέ στον διαστημικό σταθμό
Οι ατομικοί φυσικοί τείνουν να απομακρυνθούν μόνοι τους, κατά προτίμηση σε σκοτεινά, σκοτεινά εργαστήρια. Όταν ο Eric Cornell ξεκίνησε ως μεταδιδακτορικός με τον Carl Wieman στο JILA, ένα ινστιτούτο που διευθύνεται από κοινού από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας και το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder, το 1990 έκανε ό,τι μπορούσε για να μετατρέψει το εργαστήριό τους στον δεύτερο όροφο σε υπόγειο. «Είχαμε αυτά τα όμορφα παράθυρα που έβλεπαν πάνω από τα βουνά», λέει ο Cornell, «και αγοράσαμε φελιζόλ πάχους 3 ιντσών, το κόψαμε σε τετράγωνα και το κολλήσαμε πάνω τους με ταινία». Η ησυχία και το σκοτάδι διευκόλυναν το βιολί με τα σπιτικά λέιζερ που χρησιμοποιούσαν για να ωθήσουν τα άτομα σε μια νέα κατάσταση ύλης.
Ο Cornell και ο Wieman προσπαθούσαν να ψύξουν μια ρουφηξιά αερίου ρουβιδίου σε απόσταση μερικών δισεκατομμυριοστών ενός βαθμού απόλυτου μηδέν—πιο κρύο από οποιοδήποτε μέρος στη φύση, ακόμη και τα 2,73 Kelvin του διαστήματος. Ήλπιζαν να παράγουν μια από καιρό προβλεπόμενη κατάσταση της ύλης που ονομάζεται συμπύκνωση Bose-Einstein (BEC), στην οποία τα άτομα απορρίπτουν τις ατομικές τους ταυτότητες και συγκεντρώνονται μαζικά σε ένα ενιαίο κβαντικό κύμα. Το 1995 τα κατάφεραν—ένας θρίαμβος που τους χάρισε ένα μερίδιο από το Νόμπελ Φυσικής του 2001. "Επιτέλους αποσυνδέσαμε αυτό το πείραμα μόλις πριν από 2 χρόνια", λέει ο Cornell.
Τώρα, ο Cornell και άλλοι φυσικοί βγάζουν τις ατομικές τους μάσκες από την απομόνωση και στο διάστημα. Στις αρχές του επόμενου έτους, η NASA θα εκτοξεύσει το Εργαστήριο Ψυχρού Ατόμου (CAL) 70 εκατομμυρίων δολαρίων στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS). Μόλις βρεθεί σε τροχιά, η πλήρως αυτοματοποιημένη εξέδρα θα δημιουργήσει BEC και θα κάνει άλλα πειράματα ψυχρών ατόμων, εκμεταλλευόμενη την έλλειψη βαρύτητας για να επιτύχει ρεκόρ χαμηλές θερμοκρασίες και να ανοίξει το έδαφος για φιλόδοξες μελέτες κβαντικής μηχανικής και βαρύτητας. Η μινιατούρα είναι το κλειδί:Τα πειράματα που κάποτε απαιτούσαν ένα δωμάτιο γεμάτο λέιζερ, οπτικά στοιχεία και συστήματα κενού μπορούν τώρα να χωρέσουν σε μια συσκευή μεγέθους πάγου, με τα άτομα παγιδευμένα στην επιφάνεια ενός μικροτσίπ. Η προσπάθεια θα διευρύνει την κουλτούρα των ατομικών φυσικών, αναγκάζοντάς τους να μοιράζονται μια ενιαία απομακρυσμένη εγκατάσταση, όπως οι χρήστες ενός διαστημικού τηλεσκοπίου.
«Σίγουρα το έβαζα αυτό εδώ και 20 χρόνια, πραγματικά από την αρχή των BEC, όταν το να κάνεις κάτι τέτοιο στο διάστημα φαινόταν τρελό», λέει ο Robert Thompson, ένας φυσικός στο Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA (JPL) στην Πασαντένα της Καλιφόρνια και Επιστήμονας του έργου της CAL.
Υπάρχει ένας βασικός λόγος για να κάνουμε ατομική φυσική στο διάστημα. «Το παν είναι να ξεφύγουμε από τη βαρύτητα», λέει ο Charles Sackett, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville και πειραματιστής CAL. Εδώ είναι το πρόβλημα:Για να φτιάξουν ένα BEC, οι φυσικοί χρησιμοποιούν μαγνήτες και λέιζερ για να παγιδεύουν και να παγώνουν τα άτομα, έτσι ώστε η ταχύτητά τους να πέφτει από χιλιάδες μέτρα ανά δευτερόλεπτο σε εκατοστά ανά δευτερόλεπτο—πιο αργή από έναν περίπατο. Αλλά για να διερευνήσουν ένα BEC, πρέπει να το απελευθερώσουν από την παγίδα του και να ρίξουν φως λέιζερ πάνω του, δημιουργώντας μια σκιά που αποκαλύπτει την κατανομή των ατόμων.
Στη Γη, η βαρύτητα έλκει τα άτομα τη στιγμή που απελευθερώνονται, δίνοντας συνήθως στους φυσικούς μόλις 10 έως 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου για να κάνουν τις μετρήσεις τους πριν το BEC πέσει στο κάτω μέρος του θαλάμου κενού. Στην έλλειψη βαρύτητας της τροχιάς, ένα BEC θα πρέπει να αιωρείται για έως και 10 δευτερόλεπτα προτού το παρατεταμένο αέριο στον θάλαμο κενού το ζεστάνει, λέει ο Sackett, αφήνοντας χρόνο για μετρήσεις που δεν μπορούν να γίνουν στη Γη.
Η εργασία σε τροχιά θα πρέπει επίσης να ωθήσει τα άτομα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Κατά τη δημιουργία ενός BEC, το τελευταίο βήμα ξεκινά με τα άτομα παγιδευμένα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Οι φυσικοί κατεβάζουν το μαγνητικό πεδίο, έτσι ώστε η παγίδα να γίνεται πιο αδύναμη και ευρύτερη, επιτρέποντας στο αέριο να διαστέλλεται και να κρυώνει - ακριβώς όπως ένα κουτί μπογιάς ψεκασμού κρυώνει όταν το αέριο μέσα αποσυμπιέζεται. Στην τροχιά, η παγίδα μπορεί να γίνει όλο και πιο αδύναμη και μεγαλύτερη χωρίς να χάσει τα άτομα, επιτρέποντας στα αέρια να επιτύχουν ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες.
Τέτοια έλλειψη βαρύτητας έχει μιμηθεί, φευγαλέα, στο έδαφος. Από το 2007, μια πολυϊδρυματική ομάδα που εργάζεται στο Κέντρο Εφαρμοσμένης Διαστημικής Τεχνολογίας και Μικροβαρύτητας στη Βρέμη της Γερμανίας, έριξε τα επαναχρησιμοποιήσιμα πειράματά της κρύου ατόμου σε έναν πύργο 146 μέτρων σε ένα κρεβάτι σφαιριδίων πολυστυρενίου. Η κατάδυση παράγει σχεδόν 5 δευτερόλεπτα αβαρούς ελεύθερης πτώσης στην οποία μπορεί να λειτουργήσει—και διπλάσιο χρόνο εάν οι ερευνητές εκτοξεύσουν το πείραμα στον πύργο και του επιτρέψουν να πέσει πίσω στη Γη.
Αυτά τα λίγα δευτερόλεπτα επέτρεψαν στην ομάδα να φτάσει σε θερμοκρασίες 50 picokelvins, τις πιο κρύες που έχουν επιτευχθεί ποτέ, λέει ο Ernst Rasel, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Gottfried Wilhelm Leibniz του Ανόβερου στη Γερμανία και επικεφαλής της συνεργασίας QUANTUS. (Το ακρωνύμιο προέρχεται από το γερμανικό για "κβαντικά αέρια υπό έλλειψη βαρύτητας.") Νωρίτερα φέτος, οι ερευνητές της QUANTUS εκτόξευσαν τη συσκευή τους σε έναν πύραυλο από την Kiruna της Σουηδίας. Ανεβαίνοντας σε υψόμετρο άνω των 240 χιλιομέτρων, η πτήση πυραύλων πρόσφερε 6 λεπτά ελεύθερης πτώσης. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, τα αυτοματοποιημένα μηχανήματα πραγματοποίησαν 85 διαφορετικά πειράματα, λέει ο Rasel, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής του πρώτου BEC στο διάστημα. Το ISS, ωστόσο, θα δώσει στην CAL πολύ περισσότερο χρόνο—ένα χρόνο ή περισσότερο—επιτρέποντας στους χρήστες να κάνουν ακόμη περισσότερα.
Για αρχή, οι φυσικοί της CAL στοχεύουν απλώς να προσπαθήσουν να φτάσουν τις χαμηλότερες δυνατές θερμοκρασίες, οι οποίες θα μπορούσαν να επιτρέψουν την εμφάνιση λεπτών νέων κβαντικών επιδράσεων. Οι ερευνητές είναι βέβαιοι ότι μπορούν να ρίξουν τα 100 picokelvins και πιθανώς χαμηλότερα, λέει ο Sackett. Αυτό μπορεί να μην είναι τόσο χαμηλό όσο ισχυρίζεται η ομάδα QUANTUS στο αποτέλεσμα του drop-tower. Ωστόσο, η ομάδα QUANTUS μπορεί να εκτελεί μόνο τρεις διαδρομές την ημέρα, ενώ η CAL μπορεί να εκτελεί πειράματα συνεχώς.
Σε ένα άλλο πείραμα, ο Nathan Lundblad, ένας φυσικός στο Bates College στο Lewiston του Maine, και οι συνεργάτες του ελπίζουν να φτιάξουν κούφια κελύφη BEC, κάτι που η βαρύτητα συνθλίβει στη Γη. Οι φυσαλίδες μπορούν να δημιουργηθούν εφαρμόζοντας ραδιοκύματα της σωστής συχνότητας σε ένα BEC, εξηγεί ο Lundblad, και στην αρχή, οι ερευνητές ελπίζουν απλώς να κουνήσουν τις φυσαλίδες και να δουν πώς αντιδρούν.
Αλλά τα κοχύλια θα μπορούσαν επίσης να τους επιτρέψουν να διερευνήσουν την κυματική φύση του BEC με έναν νέο τρόπο. Η μαθηματική συνέπεια απαιτεί το κυματοειδές κβαντικό κύμα στο BEC να τυλίγεται γύρω από τη σφαίρα και να συγχωνεύεται ομαλά με τον εαυτό του. Καθώς το κάνει, μπορεί να δημιουργήσει μικροσκοπικές δίνες που ονομάζονται δίνες. Οι φυσικοί έχουν ήδη δημιουργήσει δίνες περιστρέφοντας ένα BEC. Στο πείραμα του Lundblad, ωστόσο, οι δίνες θα εμφανίζονταν με έναν νέο τρόπο—μέσω της αλληλεπίδρασης του κβαντικού κύματος και της γεωμετρίας της φυσαλίδας.
Άλλοι στην ομάδα CAL σχεδιάζουν να διερευνήσουν ένα περίεργο κομμάτι της κβαντικής μηχανικής που είναι γνωστό ως φαινόμενο Efimov που επιτρέπει σε ορισμένα άτομα να σχηματίσουν ασθενώς συνδεδεμένα μόρια τριών ατόμων, παρόλο που δεν θα κολλήσουν δύο άτομα μεταξύ τους. Τα μόρια είναι το ατομικό ισοδύναμο των δακτυλίων Borromean, μια τοπολογική περιέργεια κατά την οποία τρεις δακτύλιοι συμπλέκονται έτσι ώστε η αφαίρεση οποιουδήποτε δακτυλίου προκαλεί τη διάλυση των άλλων δύο. Για να δημιουργήσουν τα μόρια, οι JILA's Cornell και Peter Engels και Maren Mossman από το Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Ουάσιγκτον στο Pullman θα εφαρμόσουν ένα μαγνητικό πεδίο σε υπερψυχρά άτομα καλίου-39. Το αέριο δεν θα είναι αρκετά πυκνό για να σχηματίσει ένα BEC, αλλά σε ορισμένες εντάσεις μαγνητικού πεδίου, τα απομονωμένα άτομα θα πρέπει να παρασυρθούν για να σχηματίσουν μόρια τριών ατόμων.
Η επίδραση έχει παρατηρηθεί στη Γη, αλλά η θεωρία προβλέπει ότι τα μόρια θα σχηματιστούν, θα διασπαστούν και θα αναμορφωθούν σε διαδοχικά ισχυρότερα μαγνητικά πεδία. Το μέγεθος των μορίων θα πρέπει να αυξάνεται κάθε φορά κατά ένα συντελεστή 22,7. Ο Cornell και οι συνεργάτες του στοχεύουν να εντοπίσουν τη δεύτερη κατάσταση Efimov, στην οποία τα μόρια γίνονται γίγαντες, περίπου στο μέγεθος των βακτηρίων. Για να γίνει αυτό θα χρειαστεί να αφήσουμε το αέριο να διασταλεί μέχρι να γίνει 1/1000 τόσο πυκνό όσο σε προηγούμενα πειράματα—κάτι που θα ήταν δύσκολο στη Γη. "Θα είναι διπλά δύσκολο γιατί δεν μπορούμε να αιωρούμαστε γύρω από [το πείραμα] με μια στρατιά μεταπτυχιακών φοιτητών", λέει ο Cornell.
Ίσως ο μεγαλύτερος στόχος του CAL είναι ένας τύπος πειράματος που ονομάζεται συμβολομετρία ατόμων. Το φως λέιζερ μπορεί να χωρίσει το κβαντικό κύμα ενός BEC σε δύο μισά που απομακρύνονται και ανασυνδυάζονται. Χάρη στο παράξενο της κβαντικής θεωρίας, αυτή η διάσπαση σημαίνει ότι κάθε άτομο στο BEC κυριολεκτικά παίρνει και τα δύο μονοπάτια ταυτόχρονα. Εάν τα χωρισμένα μονοπάτια διαχωριστούν κατακόρυφα, το ένα μονοπάτι θα είναι απειροελάχιστα πιο μακριά από τη Γη, δίνοντάς του ελαφρώς περισσότερη βαρυτική ενέργεια από το άλλο μονοπάτι και αναγκάζοντας το κβαντικό κύμα να κυματίζει ελαφρώς πιο γρήγορα κατά μήκος αυτού του μονοπατιού. Ως αποτέλεσμα, όταν τα κύματα συγχωνεύονται, θα παρεμβαίνουν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μια κυματισμένη κατανομή πυκνότητας στο BEC. Το σχέδιο θα πρέπει να αποκαλύπτει ακριβώς πόσο επιταχύνονται τα άτομα υπό τη βαρύτητα καθώς περιφέρονται γύρω από τη Γη.
Εάν είναι αρκετά ακριβές, ένα συμβολόμετρο ατόμου σε τροχιά θα μπορούσε να έχει πολλές επιστημονικές εφαρμογές. Τα συμβολόμετρα ατόμων μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε διαστημόπλοια ως συστήματα αδρανειακής πλοήγησης που θα ήταν πιο ακριβή από τις τρέχουσες συσκευές, οι οποίες βασίζονται σε γυροσκόπια λέιζερ. Και δοκιμάζοντας την επίδραση της βαρύτητας σε BEC δύο διαφορετικών τύπων ατόμων, ένα ατομικό συμβολόμετρο θα μπορούσε να δοκιμάσει την αρχή ότι όλα τα αντικείμενα, ανεξάρτητα από το βάρος ή τη σύνθεσή τους, επιταχύνονται με τον ίδιο ακριβώς ρυθμό υπό την έλξη της βαρύτητας - όπως υποτίθεται ότι απέδειξε ο Galileo Galilei ρίχνοντας μπάλες από διαφορετικά υλικά από τον Πύργο της Πίζας στην Ιταλία. Αυτή η «αρχή της ισοδυναμίας» χρησιμεύει τώρα ως ο ακρογωνιαίος λίθος της θεωρίας της βαρύτητας, της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και οι φυσικοί επιθυμούν να τη δοκιμάσουν με όσους περισσότερους τρόπους μπορούν.
Λόγω προβλημάτων εξοπλισμού, ωστόσο, το CAL δεν θα μπορεί να κάνει αμέσως συμβολομετρία ατόμων. Για την παραγωγή BEC, οι προγραμματιστές της CAL στην JPL χρησιμοποιούν ένα σύστημα που κατασκευάστηκε από την ColdQuanta, Inc., στο Boulder. Η καρδιά του είναι ένας θάλαμος κενού περίπου στο μέγεθος ενός ραβδιού βουτύρου. Στο ένα άκρο του θαλάμου, ένα μικροτσίπ βοηθά στην παγίδευση και την ψύξη των ατόμων. Τόσο στην αρχική συσκευή όσο και στο αντίγραφο ασφαλείας της, το τσιπ διέρρευσε, λέει ο Thompson. Για να διατηρήσουν το έργο εντός του χρονοδιαγράμματος, οι ερευνητές στράφηκαν σε ένα απλούστερο σχέδιο, επίσης κατασκευασμένο από την ColdQuanta, χωρίς τους μικροσκοπικούς καθρέφτες που απαιτούνται για τη συμβολομετρία ατόμων. Σε ένα χρόνο περίπου, σχεδιάζουν να στείλουν ένα πακέτο αναβάθμισης ικανό για ατομική συμβολομετρία. «Είναι πολύ σαφές για μένα ότι αυτό το πρόβλημα είναι απολύτως επιλύσιμο», λέει η Dana Anderson, Διευθύνων Σύμβουλος και συνιδρυτής της ColdQuanta.
Το CAL είναι μόνο η αρχή των ψυχρών ατόμων στο διάστημα. Οι ομάδες CAL και QUANTUS σχεδιάζουν να ενώσουν τις δυνάμεις τους σε μια δεύτερη αποστολή διαστημικού σταθμού, που ονομάζεται BECAL, η οποία θα εκτοξευθεί το 2020 ή το 2021. Θα επικεντρωθεί στην συμβολομετρία ατόμων και στην επίτευξη της ευαισθησίας για να ξεπεράσει τις καλύτερες δοκιμές της αρχής της ισοδυναμίας. "Είμαι πραγματικά χαρούμενος για τη συνεργασία", λέει ο Rasel, επειδή ακόμη και οι πτήσεις με πυραύλους είναι πολύ σύντομες για να επιτύχουν τους στόχους της ομάδας του. "Για μένα, είναι μια ευκαιρία να πραγματοποιήσω όνειρα."
Η συγχώνευση αναδεικνύει τις διαφορετικές τεχνολογικές προσεγγίσεις των ομίλων. Για να συνδυάσει το CAL σε μόλις 5 χρόνια, η NASA βασίστηκε σε εμπορική, μη διαθέσιμη τεχνολογία. «Πολλά πράγματα που αγόρασαν έπρεπε να τα ξαναζωντανέψουν», λέει ο Dan Stamper-Kurn, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. «Δεν ήταν χωρίς πονοκέφαλο». Αντίθετα, Γερμανοί φυσικοί κατασκεύασαν τον δικό τους εξοπλισμό, ο οποίος ακόμη και οι ερευνητές της CAL λένε ότι λειτουργεί καλύτερα. Έτσι, η BECAL θα βάλει τα σπλάχνα του γερμανικού συστήματος μέσα στο πακέτο διαστημικών σταθμών της JPL.
Για να εκπληρώσουν την αληθινή υπόσχεση για ψυχρά άτομα στο διάστημα, οι φυσικοί ελπίζουν τελικά να εκτοξεύσουν μια αποκλειστική αποστολή δορυφόρου. Παρόλο που ο διαστημικός σταθμός προσφέρει έλλειψη βαρύτητας, είναι επίσης σχετικά θορυβώδης, κλονισμένος από τον κροτάλισμα των αντλιών και άλλων μηχανημάτων. Ένας πιο αθόρυβος δορυφόρος θα μπορούσε να επιτρέψει στα πειράματα ψυχρών ατόμων να φτάσουν υψηλότερες ακριβείς και ευαισθησίες. Αυτό μπορεί να ανοίξει την πόρτα στη χρήση ενός συμβολόμετρου ατόμου για τη μέτρηση μικροσκοπικών διακυμάνσεων της βαρύτητας της Γης με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από τους σημερινούς δορυφόρους, παρέχοντας ένα νέο εργαλείο για τη χαρτογράφηση των ροών μάζας σε όλο τον κόσμο λόγω διεργασιών όπως η αποστράγγιση των υπόγειων υδροφορέων και η λιώσιμο των φύλλων πάγου.
Αλλά πρώτα, οι επιστήμονες πρέπει να μάθουν πώς να κάνουν ατομική φυσική στο διάστημα. Η CAL στοχεύει να τους διδάξει ακριβώς αυτό. Κανείς δεν είναι σίγουρος τι θα βρει στην πορεία. "Είμαι πεπεισμένος ότι θα καταλήξουμε σε μερικά ωραία πράγματα που κανείς δεν σκέφτηκε", λέει ο Sackett, "όταν το θέσουμε σε λειτουργία."
