П’ятий стан речовини за рекордну тривалість спостерігався на борту МКС вперше
Це перший успіх експерименту CAL (Cold Atom Laboratory) на борту МКС. Вперше дослідникам вдалося створити п’ятий стан речовини в космосі менш ніж на мільярдну частку конденсатів Кельвіна, Бозе-Ейнштейна. CAL може відкрити двері для вимірювань безпрецедентної точності за допомогою атомних лазерів, які можуть стати ключем до нової фізики в галузі гравітації з розширенням Всесвіту або квантовою інформацією.
Тоді Емпедокл Арістотель розрізняв чотири тоді п'ять основоположних елементів, що становлять реальність: Земля, вода, повітря, вогонь та ефір. Для сучасних фізиків ці відділи можуть відповідати станам речовини в перших трьох випадках, а саме твердому, рідинному та газовому. Вогонь можна вважати плазмою, якщо його температура досить висока, плазма, яку можна розглядати як четвертий стан речовини. Що стосується ефіру, то з ним можна пов’язати поняття поля, і в першу чергу поняття простору-часу.
Однак, коли в наш час фізики говорять про п'ятий стан речовини, вони мають на увазі саме конденсати Бозе-Ейнштейна (BEC). Вони отримуються з атомів, ядра яких містять парне число протонів і нейтронів, так що в квантовій механіці вони поводяться як бозони. Для спостереження за БЕК необхідно знизитись до дуже низьких температур для газу частинок, які мають дуже мало або взагалі не взаємодіють, як це має місце у розведеному газі та фортіорі з фотонами. Більше того, вивчаючи газ фотонів, що утворюють випромінювання чорного тіла, на основі ідей індійця Сатиендранатха Бозе, Альберт Ейнштейн теоретично відкрив у 1924 році явище, яке сьогодні носить ім'я двох фізиків.
Мікрогравітація, ключ до вивчення BEC
Колись вважалося, що надфлюідність гелію-4 є проявом конденсації Бозе-Ейнштейна, але взаємодія між атомами цього ізотопу гелію занадто сильна, щоб це справді було так, хоча ця ідея частково актуальна. Лише в 1995 р. Перший справжній газоподібний конденсат був вироблений Вольфгангом Кеттерле, Еріком Корнеллом та Карлом Віманом, відкривши шлях для вивчення надхолодних розведених атомних газів у квантовому режимі, що принесло їм Нобелівську премію з фізики. у 2001 році.
Сьогодні публікація в Nature оголошує про великий успіх у цій захоплюючій галузі досліджень, яка є BEC. Як пояснив Футура в кількох попередніх статтях нижче, група дослідників роками працювала над експериментом CAL (Cold Atom Laboratory), що проводився на борту МКС, і до якого вони приєдналися 21 травня 2018 р.
Ці фізики повідомляють нам, що тому вони вперше досягли успіху у створенні та спостереженні цього п'ятого стану речовини на борту Міжнародної космічної станції (МКС). Наявність мікрогравітації дозволяє побити там кілька рекордів з BEC, зокрема, досягаючи надзвичайно низьких температур, яких ми не бачимо, як їх можна отримати природним чином у спостережуваному космосі в даний час, за винятком іншої технічно розвиненої цивілізації.
Атомні лазери для вивчення темної енергії
Перш за все, експерименти, проведені з BEC, які спочатку полягають у захопленні та охолодженні атомного газу електромагнітними полями, зокрема лазерними променями, вимагають дозволити частинкам газу розширюватися. Але не надто багато, інакше зникає колективний квантовий ефект, який пояснюється в анімації першого відео вгорі цієї статті.
На Землі розширення відбувається занадто швидко, щоб дати час, необхідний для певних досліджень, але в умовах постійної мікрогравітації, як на борту МКС, ми можемо побити рекорди часу існування BEC для експериментів, що цікавлять фізиків. Точно, дослідники повідомляють, що вони досягли тривалості однієї секунди з БЕК атомів рубідію в рамках експерименту CAL, якого ніколи не бачили на Землі !
Існує багато можливих застосувань із BEC, настільки стабільними та холодними, як зараз, які можливі на борту МКС. Вони дозволяють перевірити принципи квантової механіки в нових умовах. Таким чином, колективна речовинна хвиля, в якій окремі речовинні хвилі атомів рубідію перетворюються при низькій температурі, повинна мати змогу досягти розміру, який можна вважати макроскопічним, а саме - волосся, виявляючи таким чином у нашому масштабі квантове явище. Цього достатньо, щоб дослідити ще недостатньо зрозумілу межу між квантовим світом та класичним світом.
Справжні атомні лазери з конденсатами Бозе-Ейнштейна дозволять проводити точніші вимірювання часу та простору, ніж фотонні лазери, а також інтерференційні експерименти, які у всіх цих випадках можуть відкрити нову фізику. Таким чином, пропонуються експерименти такого роду для перевірки принципу еквівалентності або для виявлення природи темної енергії. Очікувана чутливість також зробить інтерферометрію BEC цікавою для супутникової навігації, дослідження та спостереження Землі. .
Найхолодніша точка у Всесвіті знаходиться на борту МКС
Стаття Лорана Сакко, опублікована 27.12.2018
Серія експериментів з атомами, охолодженими майже до мільярдної частини Кельвіна, триває вже кілька місяців на борту МКС. Судилося побити новий рекорд у галузі низьких температур з конденсатами Бозе-Ейнштейна. Це може відкрити двері для вимірювань безпрецедентної точності, які можуть стати ключем до нової фізики в галузі гравітації або квантової інформації..
Futura повідомила про це в попередній статті нижче, на борту МКС, до якого вона приєдналася 21 травня 2018 р., Триває експеримент CAL (лабораторія холодної атоми). Це справжній тур де сил, оскільки зазвичай для цього потрібні інструменти, які займають ціле приміщення на Землі для утворення конденсату Бозе-Ейнштейна надхолодних атомів. Однак у цьому випадку CAL має розмір маленького холодильника, і експеримент також можна контролювати з землі. Кілька команд дослідників матимуть доступ до цього пристрою для проведення різних типів досліджень.
Нобелівські лауреати пілоту Бозе-Ейнштейна конденсату на борту МКС
CAL вже дав свої перші результати з атомами рубідію, захопленими та охолоджуваними лазерними променями та магнітним полем при температурі близько 100 нанокельвінів, тобто одній десятимільйонній частині кельвіна. Що стосується низьких температур, то це ще не рекорд, якого можна досягти в наземній лабораторії з конденсатом Бозе-Ейнштейна, але це добре для CAL, який повинен точно зробити можливим досягнення таких характеристик завдяки умовам мікрогравітації на борту МКС. Не тільки і з цієї причини, навіть нижчих температур слід досягти і, таким чином, зробити можливим дослідження нової фізичної території, в даному випадку квантової, але перш за все конденсати Бозе-Ейнштейна можна спостерігати довше. У будь-якому випадку, це вже одна з найхолодніших точок у космосі, яку можна спостерігати, оскільки вже досягнута температура набагато нижча за температуру викопного випромінювання, яке купає і нагріває все у Всесвіті (близько 2, 72 Кельвіна).
Через кілька місяців, необхідних для початку роботи з обладнанням, щоб перевірити його поведінку в космосі, що є важливим для правильної інтерпретації результатів експериментів, що проводяться, CAL, отже, нещодавно розпочав полювання на нову фізику та нові технології. Це повинно призвести до цікавих відкриттів, що стосуються гравітації або способу створення квантових ЕОМ. Серед працюючих дослідницьких груп є дві групи, очолювані першими фізиками, які отримували в лабораторії конденсати Бозе-Ейнштейна в лабораторії в 1995 році: лауреати Нобелівської премії з фізики Ерік Корнелл і Вольфганг Кеттерле, лауреати цієї престижної премії в 2001 році, з фізик Карл Віман, усі троє саме за те, що підтвердили теоретичне передбачення, що сягає робіт Сатиндри Нат Бозе та Альберта Ейнштейна щодо газів певних частинок в 1924 році.
Очікується, що експерименти на МКС з CAL триватимуть щонайменше три роки, і, крім атомів рубідію, буде використано кілька ізотопів калію.
Найхолодніша точка у Всесвіті буде на борту МКС
Стаття Лорана Сакко, опублікована 10.03.2017
Експеримент, який незабаром відправиться на МКС, повинен зробити можливим досягнення нового рекорду в області низьких температур з конденсатами Бозе-Ейнштейна. Можливо, це дасть доступ до нової фізики ?
Лабораторія холодних атомів (CAL), набір приладів, призначених для отримання надхолодних атомів і особливо конденсатів Бозе-Ейнштейна, повинна була бути на борту МКС у 2016 році (див. Статтю нижче). Але NASA щойно оголосило, що експеримент, розроблений JPL в Пасадені, не полетить на Міжнародну космічну станцію до серпня 2017 року. Саме компанія Ілона Маска SpaceX відповідає за її перенесення на Міжнародну космічну станцію через свій SpaceX CRS- 12 вантажний.
Як ми докладно пояснили (див. Також відео нижче), основною метою є створення в космосі явища конденсації квантового газу, передбаченого в 20-х роках Альбертом Ейнштейном з робіт його колеги, індійського фізика Сатьендранатха Бозе .
Мільярдна частина Кельвіна вище абсолютного нуля
Вперше це явище було отримано на Землі за допомогою атомного газу в 1995 році групою з лабораторії NIST/JILA (Боулдер, штат Колорадо, США), яку очолювали Ерік Корнелл та Карл Віман, як показав третій дослідник Вольфганг Кеттерле. За цей безпрецедентний подвиг у 2001 році троє чоловіків були нагороджені Нобелівською премією з фізики. З тих пір вивчення різних конденсатів Бозе-Ейнштейна (BEC) активно проводиться через вікна, які вони відкривають у квантовому світі, зокрема з явищем інтерференції хвиль атомної речовини. Тоді можна мати інтерференційні смуги з цілими атомами, ніби це фотони чи електрони в експериментах типу, описаного Річардом Фейнманом у своєму курсі квантової фізики .
У випадку експериментів, які будуть проводитись з CAL, мета полягає в тому, щоб отримати завдяки мікрогравітації найхолодніші BEC, коли-небудь зроблені. Очікується, що вона досягне мільярдної частки Кельвіна вище абсолютного нуля. Крім того, ці конденсати будуть довше протистояти. Замість часток секунди, як у поточних експериментах, BEC в мікрогравітації слід спостерігати протягом 5-10 секунд і найближчим часом, можливо, до декількох хвилин.
П'ять команд дослідників отримали час для експериментів з CAL, у тому числі з членом Еріком Корнеллом. Результати їх досліджень можуть потенційно призвести до технологічних стрибків у галузі датчиків, квантових комп'ютерів та атомних годинників. .
Найбільш захоплюючі результати стосувались би в основному нової фізики. Точні експерименти з атомної інтерферометрії можуть, наприклад, зробити можливим безпосереднє виявлення темної енергії і навіть уточнення її природи, як запропонував лауреат Нобелівської премії з фізики Мартін Перл. Теорія полів хамелеонів також може бути перевірена.
BEC на МКС побили рекорд найнижчих температур
Стаття Лорана Сакко, опублікована 05.02.2014
НАСА фінансує кілька експериментів з надхолодними атомами, які відбудуться на борту МКС у 2016 році. Метою є отримання знаменитих конденсатів Бозе-Ейнштейна в умовах мікрогравітації. Ці конденсати можуть виявити нові квантові явища, але, як правило, їх використовують для створення технологій для більш точного фізичного вимірювання часу та прискорення. У будь-якому випадку, ми повинні мати можливість наблизитися ще до абсолютного нуля під час цих експериментів.
Прагнучи зрозуміти закони, що описують спектр випромінювання, яке випромінює гаряче тіло, наприклад, лава, Планк та Ейнштейн відкрили шлях для відкриття статистики Бозе-Ейнштейна для фотонів та хвиль матеріалу Луїсом де Бройлем. У 1925 р., Досліджуючи наслідки для газу частинок речовини нової статистики, відкритої Бозе для опису газу фотонів, Ейнштейн теоретично передбачив явище, відоме сьогодні як конденсація Бозе-Ейнштейна (конденсат Бозе-Ейнштейна або BEC англійською мовою).
Лише в 1995 р. Дві команди дослідників зуміли створити перший BEC. Для цього вони використовували надхолодні атоми. Еріку Корнеллу та Карлу Віману з Університету Колорадо вдалося отримати на кілька секунд конденсат Бозе-Ейнштейна, що складається з кількох тисяч атомів рубідію. Для цього вони вперше знизили температуру за допомогою лазера, а потім наблизились ще ближче до абсолютного нуля, дозволивши частині розбавленого газу холодних атомів, що міститься в магнітній пастці, випаруватися. Незважаючи на це, Вольфганг Кеттерле повинен був досягти подібних результатів зі своєю дослідницькою групою в MIT. За ці досягнення троє дослідників розділили Нобелівську премію з фізики в 2001 році.
Ультрахолодні атоми для перевірки загальної теорії відносності
З тих пір BEC зачаровують дослідників у всьому світі, по-перше, тому, що вони дозволяють досліджувати нові території щодо квантових властивостей частинок, а також тому, що вони дозволяють реалізувати атомні лазери. Вони дозволяють перевершити ефективність фотонних лазерів у декількох областях, таких як виготовлення атомних годинників і ще більш точних акселерометрів. Однак прогрес у часі та вимірювання прискорення відкривають двері для тестів, які можуть виявити нову фізику, наприклад з гравітацією. .
Конденсат Бозе-Ейнштейна та мікрогравітація
NASA не помилилося. Він також нещодавно оголосив, що фінансуватиме кілька дослідницьких проектів щодо BEC на борту МКС в рамках своєї програми Cold Atom Lab (CAL). Якщо все піде добре, модуль для проведення експериментів з надхолодними атомами та отримання БЕК вийде в космос у 2016 р. Однією з переваг експериментів з мікрогравітацією є те, що можна знизити температуру навіть нижче, дозволяючи надто холодним атомам випаровуються в магнітній пастці. Дослідники також планують побити рекорд у галузі фізики низьких температур, досягнувши 100 пікельвінів, тобто температури близько десяти мільярдів кельвіна.
За винятком можливої лабораторії інопланетян десь у спостережуваному Всесвіті, BEC на борту МКС тоді буде найхолоднішою точкою в космосі. Справді, викопне випромінювання знаходиться при температурі 2,7 К.