على الرغم من عقود من البحث المستمر ، يحاول العلماء فهم كيف تتوافق القوى الأساسية الأربعة للكون معًا. في حين يمكن لميكانيكا الكم أن تشرح كيف تعمل ثلاثة من هذه القوى معًا على أصغر المقاييس (الكهرومغناطيسية والقوى النووية الضعيفة والقوية) ، تشرح النسبية العامة كيف تتصرف الأشياء على أكبر المقاييس (أي الجاذبية). في هذا الصدد ، تظل الجاذبية هي العائق.
لفهم كيفية تفاعل الجاذبية مع المادة على أصغر المقاييس ، طور العلماء بعض التجارب المتطورة حقًا. أحد هذه المعامل هو مختبر الذرة الباردة (CAL) التابع لوكالة ناسا ، والذي يقع على متن محطة الفضاء الدولية ، والذي حقق مؤخرًا إنجازًا بارزًا من خلال إنشاء غيوم من الذرات المعروفة باسم مكثفات Bose-Einstein (BECs). كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إنشاء BECs في المدار ، وتوفر فرصًا جديدة لاستكشاف قوانين الفيزياء.
تنبأ في الأصل ساتيندرا ناث بوس وألبرت أينشتاين منذ 71 عامًا ، BECs هي في الأساس ذرات فائقة الصلابة تصل إلى درجات الحرارة فوق الصفر المطلق تمامًا ، وهي النقطة التي يجب أن تتوقف فيها الذرات عن الحركة تمامًا (نظريًا). هذه الجسيمات طويلة الأمد ويتم التحكم فيها بدقة ، مما يجعلها المنصة المثالية لدراسة الظواهر الكمومية.
هذا هو الغرض من مرفق CAL ، وهو دراسة الغازات الكمومية فائقة البرودة في بيئة الجاذبية الصغرى. تم تركيب المختبر في مختبر العلوم الأمريكي على متن محطة الفضاء الدولية في أواخر شهر مايو وهو الأول من نوعه في الفضاء. وهي مصممة لتعزيز قدرة العلماء على إجراء قياسات دقيقة للجاذبية ودراسة كيفية تفاعلها مع المادة عند أصغر المقاييس.
كما أوضح روبرت طومسون ، عالم مشروع CAL والفيزيائي في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا ، في بيان صحفي صدر مؤخرًا:
"إن الحصول على تجربة BEC تعمل في محطة الفضاء الفضائية هو حلم يتحقق. لقد كان طريقًا طويلًا وصعبًا للوصول إلى هنا ، ولكنه يستحق النضال تمامًا ، لأن هناك الكثير الذي سنكون قادرين على القيام به مع هذه المنشأة ".
قبل حوالي أسبوعين ، أكد علماء CAL أن المنشأة أنتجت BECs من ذرات الروبيديوم - عنصر معدني ناعم أبيض فضي في المجموعة القلوية. وفقًا لتقريرهم ، فقد وصلوا إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 100 نانو كلفن ، وعشرة ملايين من كلفن واحد فوق الصفر المطلق (-273 درجة مئوية ؛ -459 درجة فهرنهايت). هذا حوالي 3 كلفن (-270 درجة مئوية ؛ -454 درجة فهرنهايت) أبرد من متوسط درجة حرارة الفضاء.
نظرًا لسلوكها الفريد ، تتميز BECs بأنها الحالة الخامسة للمادة ، وهي متميزة عن الغازات والسوائل والمواد الصلبة والبلازما. في BECs ، تعمل الذرات مثل الموجات أكثر من الجسيمات على المقياس المجهري ، في حين أن هذا السلوك لا يمكن ملاحظته إلا على المقياس المجهري. بالإضافة إلى ذلك ، تفترض كل الذرات أدنى حالة طاقة لها وتتخذ نفس هوية الموجة ، مما يجعلها لا يمكن تمييزها عن بعضها البعض.
باختصار ، تبدأ غيوم الذرة في التصرف مثل "ذرة فائقة" واحدة بدلاً من ذرات فردية ، مما يجعلها أسهل في الدراسة. تم إنتاج أول BECs في مختبر في عام 1995 من قبل فريق علمي يتكون من Eric Cornell و Carl Wieman و Wolfgang Ketterle ، الذين تقاسموا جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2001 لإنجازهم. منذ ذلك الوقت ، تم إجراء المئات من تجارب BEC على الأرض وتم إرسال بعضها إلى الفضاء على متن صواريخ السبر.
لكن منشأة CAL فريدة من نوعها من حيث أنها الأولى من نوعها في محطة الفضاء الدولية ، حيث يمكن للعلماء إجراء دراسات يومية على مدى فترات طويلة. يتكون المرفق من حاويتين قياسيتين ، تتكون من "خزانة رباعية" أكبر وخزانة واحدة أصغر. تحتوي الخزانة الرباعية على حزمة فيزياء CAL ، وهي المقصورة التي تنتج فيها CAL غيومًا من الذرات شديدة البرودة.
يتم ذلك عن طريق استخدام المجالات المغناطيسية أو الليزرات المركزة لإنشاء حاويات خالية من الاحتكاك تعرف باسم "مصائد الذرة". مع انخفاض ضغط سحابة الذرة داخل مصيدة الذرة ، تنخفض درجة حرارتها بشكل طبيعي ، وتصبح أبرد كلما بقيت في المصيدة لفترة أطول. على الأرض ، عندما يتم إيقاف هذه الفخاخ ، تسبب الجاذبية للذرات أن تبدأ في التحرك مرة أخرى ، مما يعني أنه لا يمكن دراستها إلا لكسور من الثانية.
على متن ISS ، وهي بيئة ذات جاذبية صغرى ، يمكن لـ BECs فك الضغط إلى درجات حرارة أكثر برودة من أي أداة على الأرض والعلماء قادرون على مراقبة BECs الفردية لمدة خمس إلى عشر ثوان في كل مرة وتكرار هذه القياسات لمدة تصل إلى ست ساعات في اليوم. وبما أن المنشأة يتم التحكم فيها عن بُعد من مركز عمليات بعثات المدار الأرضي في مختبر الدفع النفاث ، فإن العمليات اليومية لا تتطلب تدخلًا من رواد الفضاء على متن المحطة.
أشرف روبرت شوتويل ، كبير المهندسين في مديرية الفلك والفيزياء في مختبر الدفع النفاث ، على المشروع منذ فبراير 2017. كما أشار في بيان صحفي صدر مؤخرا عن وكالة ناسا:
"CAL هو أداة معقدة للغاية. عادة ، تشتمل تجارب BEC على معدات كافية لملء الغرفة وتتطلب مراقبة شبه ثابتة من قبل العلماء ، في حين أن CAL هي بحجم ثلاجة صغيرة ويمكن تشغيلها عن بعد من الأرض. لقد كان صراعًا وتطلب جهدًا كبيرًا للتغلب على جميع العقبات اللازمة لإنتاج المنشأة المتطورة التي تعمل في محطة الفضاء اليوم ".
بالنظر إلى المستقبل ، يريد علماء CAL المضي قدمًا وتحقيق درجات حرارة أقل من أي شيء يتم تحقيقه على الأرض. بالإضافة إلى الروبيديوم ، يعمل فريق CAL أيضًا على صنع BECS باستخدام اثنين من نظائر مختلفة من ذرات البوتاسيوم. في الوقت الحالي ، لا تزال CAL في مرحلة التشغيل ، والتي تتكون من فريق العمليات الذي يجري سلسلة طويلة من الاختبارات لمعرفة كيف ستعمل منشأة CAL في الجاذبية الصغرى.
ومع ذلك ، بمجرد أن يتم تشغيله ، ستقوم خمس مجموعات علمية - بما في ذلك المجموعات بقيادة كورنيل و Ketterle - بإجراء تجارب في المنشأة خلال عامها الأول. ومن المتوقع أن تبدأ المرحلة العلمية في أوائل سبتمبر وستستمر ثلاث سنوات. كما قال كمال الودغيري ، مدير بعثة JPL لـ CAL:
"هناك فريق عالمي من العلماء جاهزون ومتحمسون لاستخدام هذه المنشأة. إن المجموعة المتنوعة من التجارب التي يخططون لتنفيذها تعني أن هناك العديد من التقنيات لمعالجة وتبريد الذرات التي نحتاجها للتكيف مع الجاذبية الصغرى ، قبل أن نسلم الأداة إلى الباحثين الرئيسيين لبدء عمليات العلوم. "
مع مرور الوقت ، قد يساعد مختبر Cold Atom Lab (CAL) العلماء على فهم كيفية عمل الجاذبية على أصغر المقاييس. إلى جانب التجارب عالية الطاقة التي أجرتها CERN ومختبرات فيزياء الجسيمات الأخرى حول العالم ، يمكن أن يؤدي هذا في النهاية إلى نظرية كل شيء (ToE) وفهم كامل لكيفية عمل الكون.
وتأكد من الاطلاع على هذا الفيديو الرائع (بدون عقوبة!) لمنشأة ترخيص وصول العميل أيضًا ، بإذن من وكالة ناسا:
