ناسا و بررسی عملکرد داخلی مکانیک کوانتومی در فضا

ناسا قصد دارد جهان را سرد کند

در اوایل سال ۲۰۱۸، ناسا آزمایشگاه اتم سرد (CAL) را به ارزش ۷۰ میلیون دلار به ایستگاه فضایی بین المللی خواهد فرستاد. لباس ویژه کاملا اتوماتیک برای این پروژه، سبب ایجاد چگالش بوز انیشتین (BEC) خواهد شد و آزمایشات اتمی خنک دیگری را در مدار انجام می دهد، علاوه بر اینها از بی وزنی جهت رسیدن به پایین ترین دمای ممکن و رسیدن به کشفیات جدید در گرانش و مکانیک های کوانتومی استفاده خواهد کرد. این آزمایش در مدار، یک فضای همکاری برای فیزیکدانان اتمی سرتاسر جهان خواهد بود. این فیزیکدانان با ابزارهایی که ریز سازی شده اند و قابل حمل می باشند کار خواهند کرد.

دلیل اصلی انجام چنین آزمایش اتمی در فضا، دستیابی به محیط بدون گرانش است. فیزیکدانان برای به دام انداختن و خنک کردن اتم ها و کاهش سرعت آن ها به سانتی متر در هر ثانیه، از لیزرها و آهنرباها استفاده می کنند تا بتوانند چگالش بوز انیشتین را ایجاد کنند. با این حال جهت بررسی چگالش بوز انیشتین، فیزیکدانان آن را با لیزر منور می کنند، سایه اش را مورد بررسی قرار می دهند تا توزیع اتم ها را مطالعه کنند- این فرایندی است که فیزیکدانان را مجاب می کند تا BEC را آزاد کنند. در کره ی زمین، ده الی بیست هزارم ثانیه طول می کشد تا یک BEC آزاد شده، داخل محفظه خلاء شود، اما یک BEC در فضا قبل از اینکه محفظه گرم شود حدود ده ثانیه در آنجا معلق می ماند. این تفاوت حیاتی به دانشمندان زمان زیادی می دهد تا آزمایش و ارزیابی کنند.

قدم آخر در ایجاد یک BEC، به دام انداختن اتم ها در میدان مغناطیسی و اجازه دادن به گاز جهت گسترش و خنک شدن است. دمای گاز ها می تواند در فضا، بدون ازدست دادن اتم به شدت کاهش یابد. گرچه در کره زمین چندین بار تلاش شده است تا شرایط بی وزن حاکم شود ولی پژوهشگران قادر هستند تا کارهای زیادی را در فضا انجام دهند.

بررسی رازهای کوانتومی

فیزیکدانان CAL تلاش خواهند کرد به پایین ترین دمای ممکن دست یابند. این کار ممکن است باعث ایجاد اثرات کوانتومی نیز شود. طبق گفته های فیزیکدانان دانشگاه ویرجینیا و چارلز سکیت،از پژوهشگران تیم CAL، محققان اطمینان خاطر دارند که می توانند به دمای ۱۰۰ پیکوکلوین و حتی پایین تر برسند. دیگر پژوهشگران CAL امیدوارند پوسته های توخالی ایجاد کنند، که البته این کار با وجود گرانش امکان پذیر نیست.

با این حال سایر پژوهشگران تیم CAL در نظر دارند تا اثز افیموف(Efimov) را بررسی کنند. اثر افیموف، اثر کوانتومی است که اتم هایی که جفت جفت به هم متصل نمی شوند را قادر می سازد تا مولکول های سه اتمی و به هم متصل شده ای تشکیل دهند. این مولکول های سه اتمی در سطح اتمی مانندحلقه های بورومین(Borromean) هستند و در گروه های جفت شده وجود دارند؛ برداشتن یک حلقه باعث می شود سایر حلقه ها از هم بپاشند. گرچه چنین اثری در کره زمین نیز دیده شده است، ولی اثر افیموف قوی تر و همچنین دومین حالت افیموف بایستی در فضا قابل مشاهده باشد.

تداخل اتم یکی از بزرگترین اهداف تیم CAL است. اثرات کوانتومی باعث می شود موج کوانتومی BEC توسط نور لیزر به دوبخش تقسیم شوند و همزمان دو مسیر را در پیش بگیرند. دانشمندان می توانند از راه هایی که مسیرها جدا می شوند و به هم متصل می شوند آگاه شوند که گرانش باعث می شود چقدر اتم ها همزمان که به دور زمین می چرخند شتاب بگیرند. اینترفرن اتم در فضا می تواند کاربردهای علمی فراوانی به همراه داشته باشد: در فضاپیما می تواند به عنوان سیستم هدایتی دقیق به کار گرفته شود، و یا برای بررسی “اصل هم ارزی” و “نسبیت عام” به کار رود.

تیم CAL در پروژه ی تداخل اتم به نام BECAL، با تیم آلمانی QUANTUSـ که از مرکز کاربردی فناوری فضایی و میکروگرانشی هستندـ ملحق خواهد شد. این ماموریت قرار است در سال ۲۰۲۰ یا ۲۰۲۱ اجرایی شود. و سرانجام، فیزیکدانانی که بر اتم های سرد متمرکزند امیدوارند ماموریت اختصاصی را برای رسیدن به دقت و حساسیت بالا شروع کنند.