儘管進行了數十年的研究,科學家仍在試圖了解宇宙融合在一起。
儘管量子力學可以解釋其中三種力量如何在最小的尺度(電磁,弱和強核力量)上共同起作用,而解釋事物在最大量表(即重力)上的行為。在這方面,重力仍然是保持的。
為了了解重力如何在最細微的尺度上與物質相互作用,科學家開發了一些真正的尖端實驗。
其中之一是NASA的冷原子實驗室(CAL),位於ISS上(BAC)。
這是BEC首次在軌道上創建,並提供了探究物理定律的新機會。
BEC最初由Satyendra Nath Bose和Albert Einstein預測,BEC本質上是超高原子,其溫度達到了絕對零以上的溫度,而原子應該完全停止移動(理論上)。
這些顆粒是長期壽命和精確控制的,這使它們成為研究量子現象的理想平台。
這是Cal設施的目的,該設施是在微重力環境中研究超低量子氣體的目的。該實驗室於5月下旬安裝在ISS上的美國科學實驗室,是太空中的第一個。
它旨在提高科學家對重力進行精確測量的能力,並研究其在最小尺度上與物質相互作用的能力。
正如加州項目科學家,NASA噴氣推進實驗室的物理學家羅伯特·湯普森(Robert Thompson)所說的那樣,新聞稿:
“在空間站上進行BEC實驗是一個夢想成真。這是一條漫長而艱難的道路,但完全值得掙扎,因為我們將能夠與這個設施一起做很多事情。”
大約兩週前,CAL科學家證實該設施從Rubidium的原子中產生了BEC,Rubidium的原子是鹼中柔軟的銀色金屬元素。
根據他們的報告,他們達到的溫度低至100納米克文,一百萬個kelvin中的100萬納克爾文(-273攝氏度為-273攝氏度; -459華氏度)。這比平均空間溫度(-270攝氏度; -454華氏度)冷約3 k。
由於其獨特的行為,BEC被描述為第五,與氣體,液體,固體和血漿不同。
在BEC中,原子在宏觀尺度上比顆粒更像波動,而這種行為通常只能在微觀範圍內觀察到。
此外,原子都採用了最低的能量狀態並具有相同的波身份,使它們彼此之間無法區分。
簡而言之,原子云開始像單個“超級原子”而不是單個原子的行為,這使它們更容易學習。
第一批BEC是由埃里克·康奈爾(Eric Cornell),卡爾·威曼(Carl Wieman)和沃爾夫岡·凱特爾(Wolfgang Ketterle)組成的科學團隊於1995年在實驗室生產的,他們因其成就而獲得了2001年諾貝爾物理學獎。
自那時以來,已經在地球上進行了數百個BEC實驗,有些甚至被送入發聲火箭上的太空中。
但是Cal設施的獨特之處在於,它是ISS上的第一個此類設施,科學家可以長期進行日常研究。該設施由兩個標準化的容器組成,這些容器由較大的“四輪儲物儲物櫃”和較小的“單個儲物櫃”組成。
Quad Locker包含Cal的物理包,即Cal將產生超冷原子云的隔間。
這是通過使用磁場或聚焦激光器來創建稱為“原子陷阱”的無摩擦容器來完成的。隨著原子云在原子陷阱內解壓縮時,其溫度自然會下降,陷入困境的時間越長。
在地球上,當關閉這些陷阱時,重力會導致原子再次開始移動,這意味著只能研究它們的一秒鐘。
與地球上的任何樂器相比,ISS上的ISS上是一個微重力環境,BEC可以將其解壓縮到較冷的溫度下,科學家一次可以一次觀察單個BEC五到十秒鐘,並每天重複這些測量最多六個小時。
而且,由於該設施由JPL的地球軌道任務操作中心進行遠程控制,因此日常操作不需要在車站上的宇航員干預。
JPL天文學和物理局的首席工程師Robert Shotwell自2017年2月以來一直監督該項目。新聞稿:
“ CAL是一種非常複雜的儀器。通常,BEC實驗涉及足夠的設備來填充房間,並且需要科學家的近乎恆定的監視,而CAL大約是小型冰箱的大小,並且可以與地球遠程操作。”
“這是一場鬥爭,需要付出巨大的努力來克服今天在空間站運行的複雜設施所需的所有障礙。”
展望未來,CAL科學家希望走得更遠,並達到比地球上任何事物都低的溫度。除Rubidium外,CAL團隊還努力使用兩個不同的同位素鉀原子製作BEC。
目前,CAL仍處於調試階段,該階段由進行一系列測試的運營團隊組成,看看Cal設施如何在微重力中運作。
但是,一旦啟動並運行,五個科學小組(包括由康奈爾和凱特爾領導的小組)將在該設施的第一年進行實驗。
科學階段預計將於9月初開始,並將持續三年。正如JPL的Cal任務經理Kamal Oudrhiri所說:
“有一個跨球範圍的科學家團隊準備好使用此設施。”
“他們計劃執行的各種實驗範圍意味著在我們將儀器移交給主要研究人員之前,我們需要適應微重力的原子來操縱和冷卻原子,以開始科學運營。”
給定時間,冷原子實驗室(CAL)可以幫助科學家了解重力如何在最細微的尺度上工作。
結合CERN和世界各地其他粒子物理實驗室進行的高能量實驗,這最終可能導致所有事物的理論(腳趾)以及對宇宙如何運作的完整理解。
並確保還要查看由NASA提供的CAL設施的酷炫視頻(沒有雙關語!):