คอนเดนเสทของโบส–ไอน์สไตน์ถูกสร้างขึ้นบนสถานีอวกาศนานาชาติ

นักฟิสิกส์ในสหรัฐฯ พยายามหลีกหนีจากแรงโน้มถ่วงให้นานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ได้สร้างคอนเดนเสทของโบส–ไอน์สไตน์บนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ห้องแล็บที่โคจรรอบยังไม่เกินประสิทธิภาพของการทดลองอะตอมที่เย็นที่สุดในโลก แต่ในอนาคตอาจเป็นสถานที่ที่เหมาะที่จะใช้เกรวิมิเตอร์แบบควอนตัมเครื่องกลและดำเนินการทดสอบหลักการสมมูลที่แม่นยำที่สุด

คอนเดนเสทของโบส–ไอน์สไตน์ (BEC) 

หรือที่รู้จักกันในชื่อสถานะที่ห้าของสสาร เป็นก๊าซเจือจางของอะตอมโบโซนิกซึ่งมีอุณหภูมิต่ำมากจนความยาวคลื่นของพวกมันเทียบได้กับระยะห่างระหว่างอะตอมหนึ่งกับอะตอมถัดไป ในสถานการณ์เหล่านี้ อะตอมทั้งหมดอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันและทำหน้าที่เป็นของเหลวยิ่งยวด ดังนั้นจึงนำคุณสมบัติคล้ายคลื่นขนาดเล็กมากมาไว้ในขอบเขตมหภาค

นักฟิสิกส์มักจะสร้าง BEC โดยจำกัดก๊าซของอะตอมโบโซนิกไว้ในกับดักแม่เหล็กและยิงลำแสงเลเซอร์ไปที่อนุภาคเพื่อทำให้เย็นลง อุปสรรค์คือต้องปล่อยคอนเดนเสทเพื่อศึกษามัน เมื่อเป็นอิสระ อะตอมจะผลักกันและกระจายออกอย่างรวดเร็วหากพวกมันไม่เย็นพอ – ทำให้ก๊าซบางเกินกว่าจะตรวจจับได้ แต่แรงโน้มถ่วงก็ก่อให้เกิดปัญหาใหญ่เช่นกัน การลากลงของมันทำให้อะตอมชนกับก้นของอุปกรณ์ทดลองภายในเสี้ยววินาที

ดรอปทาวเวอร์และเที่ยวบินพาราโบลานักวิจัยได้ทำการทดลองต่างๆ มากมายเพื่อยืดอายุ BEC โดยการปล่อยให้ตกอย่างอิสระ และเพื่อขจัดผลกระทบของแรงโน้มถ่วงชั่วคราว ทางเลือกหนึ่งคือปล่อยคอนเดนเสทจากยอดหอคอยสูงที่มีการอพยพ อีกทางหนึ่ง พวกเขาสามารถบินบนเครื่องบินตามวิถีพาราโบลาหรือวางบนจรวดที่ส่งเสียงได้ ซึ่งเป็นหนึ่งในการทดลองในสวีเดนที่มีความสูงมากกว่า 240 กม. และตกอย่างอิสระเป็นเวลา 6 นาที

แต่สถานที่ที่ดีที่สุดในการทดลองดังกล่าวอยู่ในวงโคจร 

วัตถุมีการตกอย่างอิสระอย่างต่อเนื่อง หมายความว่าวัตถุนั้นสร้างสภาวะแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์ตลอดไป โดยหลักการแล้วสิ่งนี้ไม่เพียงแต่ทำให้มีเวลามากขึ้นสำหรับการทดลองเท่านั้น แต่ยังหมายความว่าก่อนที่อะตอมจะถูกปลดปล่อยออกจากกับดักของพวกมัน สนามแม่เหล็กที่กักขังพวกมันจะค่อยๆ ถูกลดระดับลง ปล่อยให้อะตอมกระจายออกไปอย่างช้าๆ และเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่า

การวิจัยใหม่นี้ดำเนินการโดยใช้ ” Cold Atom Lab ” (CAL) ซึ่งเปิดตัวโดย NASA ในปี 2018 และตั้งอยู่ในโมดูล US Destiny บน ISS ห้องปฏิบัติการมูลค่า 70 ล้านดอลลาร์ที่ดำเนินการจากระยะไกลนั้นใช้พื้นที่เพียง 0.4 ม. 3แต่ประกอบด้วยเลเซอร์ แม่เหล็ก และอุปกรณ์อื่นๆ ทั้งหมดที่จำเป็นในการดักจับ ทำให้เย็นลง และควบคุมก๊าซปรมาณู ในขั้นต้น อะตอมจะถูกจับไว้ที่กึ่งกลางของห้องสุญญากาศ ก่อนที่จะถูกถ่ายโอนไปยัง “ชิปอะตอม” ที่ด้านบนของห้องซึ่งใช้คลื่นวิทยุเพื่อดูดเอาอะตอมที่ร้อนกว่าเป็นเศษส่วนและปล่อยให้ส่วนที่เหลือเหลือน้อยกว่าหนึ่งในพันล้านของ เคลวิน

คุณสมบัติที่โดดเด่นRobert Thompson, David Aveline และเพื่อนร่วมงานของ Jet Propulsion Laboratory ที่ California Institute of Technology ใช้ CAL เพื่อสร้าง BEC จากอะตอมของ rubidium-87 สามารถตรวจจับคอนเดนเสทได้นานถึง 1.18 วินาที และมีคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายประการเมื่อเทียบกับญาติภาคพื้นดิน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าอะตอมของรูบิเดียมบางส่วนที่ใช้ในการทดลองยังคงแยกออกจากคอนเดนเสทและกลับกลายเป็นรูปร่างรัศมีรอบๆ อะตอม ถูกกักขังไว้อย่างอ่อนแรงในกับดักผ่านปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์ Zeeman ลำดับที่สอง อะตอมเหล่านี้จะตกลงสู่พื้นโลก

จากข้อมูลของ Brynle Barrett แห่งInstitut d’Optique 

d’Aquitaineในฝรั่งเศส อายุการใช้งานของคอนเดนเสทของ CAL นั้นเทียบได้กับคอนเดนเสทที่ผลิตโดยสิ่งอำนวยความสะดวกบนบกที่ดีที่สุด เขาชี้ให้เห็นว่า 6 นาทีของการตกอย่างอิสระที่ทำได้ด้วยจรวดที่ส่งเสียงประกอบด้วยการทดลองที่แยกจากกันหลายครั้ง ซึ่งไม่มีการทดลองใดกินเวลานานกว่า 300 มิลลิวินาที เขาอธิบายว่าข้อเท็จจริงที่ว่าทอมป์สันและเพื่อนร่วมงานไม่ได้ใช้เวลาเกินกว่าหนึ่งวินาทีมากนัก ไม่ได้เกิดจากแรงโน้มถ่วงหรือผลกระทบจากแรงเฉื่อยอื่นๆ แต่เกิดจากข้อจำกัดทางเทคนิคแทน เช่น ความท้าทายในอุณหภูมิที่ต่ำลงเรื่อยๆ และความจำเป็นในการลดแรงแม่เหล็กตกค้างที่ รบกวนคอนเดนเสท

บาร์เร็ตต์กล่าวว่าข้อได้เปรียบที่แท้จริงของการอยู่ในวงโคจรก็คือการตกอย่างอิสระเป็นเวลาหลายปีอาจทำให้นักวิจัยสามารถปรับแต่งพารามิเตอร์การทดลองได้อย่างต่อเนื่อง ด้วยเหตุนี้ เขาจึงเชื่อว่างานวิจัยล่าสุด “แสดงถึงขั้นตอนสำคัญในการทำการทดลองที่มีความแม่นยำสูงด้วยก๊าซควอนตัมในอวกาศ”

อะตอมอินเตอร์เฟอโรเมตรีในบรรดาการทดลองที่สามารถทำได้นั้นรวมถึงการใช้การก่อรูปรัศมีของอะตอมเพื่อผลิตก๊าซเย็นจัดที่มีความหนาแน่นต่ำมาก อีกวิธีหนึ่งอาจเกี่ยวข้องกับการสร้าง BEC ในรูป (ท้าทายแรงโน้มถ่วง) ของฟองสบู่ แต่บางทีการทดลองที่รอคอยอย่างกระตือรือร้นที่สุดอาจเกี่ยวข้องกับอะตอมอินเตอร์เฟอโรเมทรี สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการวัดแรงโน้มถ่วงที่แม่นยำมากโดยการบันทึกขอบรบกวนที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมเย็นวางในการทับซ้อนของควอนตัมตามเส้นทางที่แตกต่างกันเล็กน้อยสองเส้นทางผ่านสนามโน้มถ่วง

Battle of the Elements รอบสาม อะตอมที่เย็นจัดในอวกาศ สิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ดวงอื่น

เครื่องวัดอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ดังกล่าวอาจนำไปใช้ในการทดสอบความเป็นสากลของการตกอย่างอิสระ แนวคิดที่ว่ามวลเฉื่อยและความโน้มถ่วงมีค่าเท่ากัน หรือเพื่อให้สามารถติดตามสภาพแวดล้อมที่ละเอียดอ่อนและสำรวจแร่จากอวกาศได้ อย่างไรก็ตาม ความท้าทายทางเทคนิคหลายประการ รวมถึงการรั่วไหลของชิปอะตอม ทำให้นักวิจัยของ NASA ชะลอการติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับการแทรกสอด แต่หลังจากการเปิดตัวของสดในเดือนธันวาคม พวกเขาทำอย่างนั้นในเดือนมกราคมปีนี้ และอีกหนึ่งเดือนต่อมาก็สร้าง BEC ขึ้นมาอีกครั้ง

เมื่อมองไปข้างหน้า บาร์เร็ตต์กล่าวว่ามีข้อเสนอหลายประการในการเปิดตัวดาวเทียมเฉพาะที่จะใช้อะตอมเย็นเพื่อทำการทดสอบแรงโน้มถ่วงขั้นพื้นฐาน ปราศจากการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นบนสถานีอวกาศนานาชาติ “ทศวรรษนี้จะได้เห็นข้อเสนอที่น่าตื่นเต้นเหล่านี้กลายเป็นความจริง” เขากล่าว

Credit : experiencethejoy.net expertlistbuilding.com fairytalefavors.net fioredicappero.com forumperekur.com