ونظرا للنجاح التحقق من نظرية توقع منذ فترة طويلة بوز - أينشتاين المكثفات (BECS)، تلقى اريك كورنيل وكارل ويمان على جائزة نوبل في الفيزياء 2001 .
قصة مثيرة للاهتمام هو أنه في عام 1990 عندما، من أجل الاستفادة من الليزر الصنع التي يسببها بوز - أينشتاين المكثفات (BECS) الدول ذرية جديدة من هذه المسألة، وفجأة وضعت في الطابق الثاني من التحول من المختبر الظلام "القبو".
الشكل شو اريك كورنيل وكارل ويمان
الآن، الفيزياء التجريبية الجهاز من الشعور بالوحدة "غرفة مظلمة" نحو "الجناح الرئاسي الفضاء" الترف: عام 2018، البرد ناسا ذرات المختبرات ( البرد ذرة مختبر، CAL ) ستطلق إلى محطة الفضاء الدولية (محطة الفضاء الدولية) .
لذا، فإن العلماء تنوي استخدام هذه القيمة 70 مليون $ الإعداد التجريبية لخلق معجزة؟ بعد كل شيء، كان مجرد "غرفة مظلمة" على الأرض نبهت على جائزة نوبل.
دون خطورة، وأكثر دواما المواد المكثفة
الذرات الباردة مختبر (CAL) ذرات الغاز يمكن تبريدها إلى ما فوق الصفر المطلق أجزاء من البليون كانت درجات حرارة منخفضة للغاية. البحث عن هذه الوعود الذرة شديدة البرودة لإعادة تشكيل فهمنا لطبيعة الأساسية للمادة وتجربة الجاذبية تشارك وCAL كشف النقاب أيضا عن سر الطاقة الظلام.
مهمة CAL الأولى في الفضاء كافية للسماح الفيزياء مسألة مكثف يغلي، أن هو لخلق بيئة أكثر انخفاض درجات الحرارة لإنتاج بوز - أينشتاين المكثفات (BECS).
مختبر FIG في ذرات البرد شو NASA، مع ليزر، والكهرومغناطيسية فراغ الغرفة "سكين"، ويمكن القضاء الطاقة من ذرات الغاز، بحيث يتم الحفاظ عليه في حالة درجة حرارة منخفضة للغاية
BECS المعروف أيضا باسم "دولة الخامسة من المادة" (أي ما مجموعه ستة الحالة المادية، والخمسة الأخرى هي الغازية، السائلة، الصلبة، والبلازما والفرميونات الدولة مكثف)، بدلا من الفيزياء الكلاسيكية تتوافق مع ميكانيكا الكم. سحر ذلك هو أن ذرات دولة كانت دولة مختلفة فجأة "مكثف" في نفس الولاية (عادة الدولة الأرض)، وطبيعة تكنولوجيا رقاقة فريدة من نوعها في مجال الغنية، وقياس الدقة وتكنولوجيا النانو لديه احتمال تطبيق.
CAL سحابة من ذرات يتم تبريده الى أقل من واحد من المليار من درجة الحرارة فوق الصفر المطلق، من أجل تصنيع كثافة بوز اينشتاين (BECS)، حيث أن سلوك الذرة مثل واحد موجات الكم المسألة، يمكن دون مقاومة التدفق. في بيئة الفضاء المدار، يمكن أن الجاذبية الذرية تحوم، لذلك الفيزيائيين الحصول على مزيد من الوقت لتجربة.
حجم التقريبي للجهاز التجميد التجريبية، والتي تحتوي على تجارب الليزر المطلوبة، لفائف مغناطيسية، وغرفة مضخة فراغ. أن الفيزيائيين مثل الباحثين استخدموا نفس التلسكوبات الفضائية، وينتقل التجارب البعيدة.
"منذ بداية BECS، لقد شاركت في هذا المجال لمدة 20 عاما، والآن تريد أن تفعل البحوث في الفضاء، يبدو حقا مجنون"، مختبر الدفع النفاث التابع لناسا (JPL) فيزيائي، الذرات الباردة مختبر مشروع (CAL) وقال العلماء روبرت طومسون.
محطة الفضاء الدولية الرقم شو
مرة واحدة في CAL مدار ناجحة، بدء اختبار تلقائي جهاز المصنعة BECS، وغيرها من ذرات البرد التجريبية، ولأن من أجل فقدان الوزن، وسيتم إنشاء رقما قياسيا جديدا درجة حرارة منخفضة.
علماء الفيزياء من جامعة فرجينيا في شارلوتسفيل الحرم الجامعي، تشارلز ساكيت، واحدة من المجرب وقال CAL: "هل الفيزياء الذرية في الفضاء، والسبب الأكبر هو أنه يمكنك التخلص من أغلال الجاذبية."
في الواقع، في الأرض، وبسبب الجاذبية، وترك العلماء لقياس وقت الدولة BEC من الوقت المتبقي مساحة أقل من ذلك بكثير.
صنعت على الأرض الفيزيائيين الدولة BEC عادة استخدام ضوء الليزر لالتقاط والذرات المبردة، بحيث ذرات من سرعة "كم / ث" وصولا الى حد كبير أبطأ من المشي، "سم / ثانية" للنظام.
ومع ذلك، عندما تكون المراد قياسها عندما تكون الدولة BEC، لا بد من المفرج عنهم من إمكانات الدولة BEC جيدا، ثم المشع مع ليزر التي يمكن الحصول عليها عن طريق تفاعل من الظل في توزيع ذرات ذرات. على الأرض، عندما الذري BEC الافراج عن الدولة، والجاذبية المؤثرة على ذرة و، مما أدى في نهاية المطاف إلى التصادم مع الذرات في فراغ الغرفة يحدث أسفل.
جيد محتمل
حول ما هو جيد المحتملين، ونحن يمكن أن تعطي أمثلة بديهية ولكن ربما غير واقعية. البرد الذرية تخيل مجموعة من الناس الوقوع في بئر عميقة، وإذا كان على ما يرام عالية حتى ذلك الحين المادي (الطاقة) الناس جيدة من الصعب الخروج من البئر، ولكن إذا كان ارتفاع البئر تنمو ببطء أقصر، ثم سيكون هناك بعض الناس على قيد الحياة في محاولة للخروج من البئر، الخروج إمكانية حتى صغيرة جدا. وإذا زاد السفلي من الفضاء تدريجيا، ثم الناس قد معبأة الحرارة لا تطاق بسبب مساحة أكبر ويصبح باردا معا.
في هذا المثال هو أيضا من إمكانات قال بشكل جيد بواسطة الحقل المغناطيسي، ويتم التحكم في المجال المغناطيسي، ويمكن ضبط ارتفاع وعرض البئر.
في عملية الافراج عن الاصطدام، ويقاس الباحثين فقط 10-20 ميلي ثانية .
مرة واحدة في بيئة انعدام الوزن إلى المسار التالي، وهذه المرة لتمديد 500 مرات على الأقل!
عملية تسخين لإطلاق سراح من الغاز المتبقية فراغ الغرفة، يمكن الحفاظ على الدولة BEC لمدة 10 ثوان، يكون الباحثون لا يمكن أن تكتمل قياس ما يكفي من الوقت على الأرض.
وعلاوة على ذلك، يمكن للذرات في الفضاء أيضا تحقيق انخفاض درجة الحرارة، هي درجة الحرارة أقل احتمالا لجلب بعض آثار جديدة الكم خفية.
انخفاض درجة الحرارة هذه هي الطريقة لتحقيق؟ الخطوة الأخيرة هي للحد من تصنيع ذرات BEC الدولة ملزمة المجال المغناطيسي، بحيث إمكانات جيدة تضعف قوة، واتسع نطاق، بحيث افتتاح ذرات الغاز التوسع لتحقيق التبريد. عندما يتم تنفيذ هذه الخطوة من في المسار المحيط، يمكن للباحثين تلبية الذرات في فرضية دون الخروج عن إمكانية جيدا، أكبر من مجموعة من شدة أضعف على إمكانات الأرض جيدا، وبالتالي فمن الممكن الحصول على درجة حرارة أقل.
الشكل شو في عام 1995 وجدت اريك كورنيل وكارل ويمان أن BECS الاختبار: ليزر (السهم الأحمر)، والمجال المغناطيسي (الأسهم الزرقاء) من ذرات الروبيديوم (المنطقة الخضراء) تبريد النهائي بوس - المكثفات أينشتاين وجدت في المنطقة الخضراء
وبطبيعة الحال، على أرض الواقع لانعدام الوزن على محاكاة ما زالت جارية. حاليا اختبار الأرض لتحقيق درجة حرارة لا تقل عن 50 PK درجة الحرارة (من الألمانية "غاز الكم في انعدام الوزن" اختصار) ويتكون من مجموعة من وكالات متعددة التكنولوجيا QUANTUS الألمانية وتطبيق مراكز الجاذبية الصغرى الفضاء تحقيقها.
في التجارب في محطة الفضاء الدولية، الهدف CAL الفيزيائي هو تحقيق أدنى درجة حرارة ممكنة، ساكيت يعتقدون أنهم يمكن أن ينخفض إلى 100 PK درجات الحرارة أقل من ذلك. على الرغم من أنه قد لا يحقق الحد الأدنى من درجة الحرارة كما تم الحصول عليها QUANTUS، ولكن فقط ضمن QUANTUS اليوم ثلاث تجارب، وأنه قد كال التجربة الجارية .
في وقت سابق من هذا العام، والباحثين QUANTUS في كيرونا، أطلق السويد السبر جهاز صاروخ تجربة التحميل. تم إطلاق صاروخ الارتفاع، وهروب أكثر من 240 كيلومترا من الأرض لتوفير عملية السقوط الحر بعد 6 دقائق. خلال تلك الفترة، ما مجموعه الوسائل الآلية 85 تجارب مختلفة، بما في ذلك أول تجربة جيل في ولاية BEC الفضاء.
تطبيق FIG شو بريمن لتكنولوجيا الفضاء والجاذبية الصغرى مركز 146 م "برج قطرة ماء"
والآن، ومحطة الفضاء الدولية (ISS) توفير الوقت لمدة سنة أو حتى لفترة أطول لذرات البرد مختبر (CAL) حتى أن العلماء يمكن أن تفعل المزيد من البحوث.
ميكانيكا الكم تأثير Efimov
المهمة الثانية CAL هو تحقيق المزيد من الإنجازات في مجال ميكانيكا الكم والجاذبية. على سبيل المثال، بعض الباحثين CAL الفريق هو التخطيط لتحقيق ميكانيكا الكم السحر Efimov تأثير (Efimov التأثير) .
تأثير Efimov من ذرات معينة يمكن ان تشكل ضعف الجزيئات الثلاثة ذرة محددة، حتى لو لم التفاعلات الذرية زوجيا كبير، والعلاقة بين الذري لا يزال كما "بورو الارتباط الذاتي وتقرير المصير حلقة" (حلقة Borromean) - الارتباط الذاتي وتقرير المصير بورو تضم حلقة واحدة هي الخصائص الطوبوغرافية للاهتمام ، التي هي أكبر جرح ميزة ثلاثية الحلقات، وإزالة واحد أو اثنين المتبقية عند انهارت.
الشكل بوروفسكي الارتباط الذاتي وتقرير المصير حلقة شو
من أجل الحصول على مثل هذه الجزيئات الثلاثة ذرة، وجيلا من جامعة كورنيل، بيتر إنجلز مارين موسمان سوف البرودة ذرة مع جامعة البوتاسيوم واشنطن - 39 تطبيق المجال المغناطيسي في مجال معين، الناجم عن تشكيل ذرة عزل جزيئات ثلاثي الذرات (Efimov الدولة).
وقد لوحظ هذا التأثير على أرض الواقع، لكننا لم يختبر بشكل كامل هذه النظرية. وفقا لتنبؤات النظرية، دولة Efimov شكلت باستمرار تحت حقل مغناطيسي ثابت يصبح قويا، وتمزق، ومن ثم تشكيل، حجم الجزيء أيضا يزيد من نسبة 22.7 مرة.
العلماء الشكل شو على هذا المختبر النووي البارد للاختبار البيئي
كورنيل وزملاؤه خطة لمراقبة حجم دولة Efimov البكتيرية الثانوية، دولة Efimov Efimov بعد الحالة الأولية أن تختفي بسبب الزيادات الحقل المغناطيسي شكلت مرة أخرى، والذي يحتاجون إليه كثافة ذرات الغاز تصبح التجربة ميكرومتر الأصلي احد، ولكن مثل هذه التجارب ويلزم على الأرض ويصعب تحقيق، لا يمكننا الاعتماد فقط على البيئة انعدام الوزن .
واضاف "اذا التجربة لا تزال على الأرض، وسوف تجلب مشكلة أخرى هي - حفنة من التقدم الدراسات العليا تباطأ أو حتى لا يزال قائما "وأضاف كورنيل.
خاتمة: التداخل الذري
ومع ذلك، فإن الهدف الرئيسي من CAL من المرجح أن تكون واحدة تسمى " ذرة التداخل "الرسالة (Atom التداخل) التجربة. ولكن الآن بسبب مشاكل المعدات، CAL لا يمكن إجراء هذه التجربة على الفور.
من أجل إنتاج BECS، CAL على المطورين JPL الذين اختاروا النظام من ColdQuanta المصنعة. جوهر هذا النظام هو حجم عصا من الزبدة غرفة فراغ، في واحدة من نهاية الغرفة، هناك مساعدة لالتقاط وذرات باردة رقاقة. ولكن الآن هذه الشريحة في المعدات الأصلية وتسرب الفراغ المشاكل ظهرت، من أجل الحفاظ على التقدم المحرز في المشروع، وتحول الباحثون إلى غير مجهزة ذرة تداخل المرايا اللازمة لتصميم صغير أكثر بساطة، والتي لا تزال تسمح ColdQuanta إلى إنتاج.
في المستقبل، وأنها تخطط لإطلاق حزمة ترقية تداخل الذرية لحل المشكلة الحالية.
ليست معقدة ذرة التداخل. أولا، سوف يستخدم العلماء الليزر لBEC موجة الكم تقسيم في نصف، إلى اثنين من الذرة. بسبب ميكانيكا الكم، وتعني "تقسيم" ذرتين أيضا اختيار مسارين. إذا تم انقسام فصل مسار عموديا، وهو مسار لا حصر له بعيدا عن الأرض، لديها اكثر من الطاقة الكامنة الجاذبية من طريق آخر، على طول هذا الطريق تذبذب سرعة الكم موجة الحركة ستكون أسرع قليلا. وأخيرا، عندما يقترن موجة من المقرر أن يحدث تدخل، سيتم تصنيعها في توزيع كثافة BEC المموج. وبهذه الطريقة يمكن أن يكون تكشف بدقة تسارع النهائي عندما تتحرك الذرات حول تحت تأثير الجاذبية.
إذا ما يكفي دقيقة، من المتوقع أن يحقق المزيد من التطبيقات في مجال العلوم والتكنولوجيا المسار ذرة التداخل. على سبيل المثال، قالت انها تعتمد على الدوران الليزر هو أكثر دقة من المعدات الحالية، فمن المرجح أن يتم استخدامها في نظام الملاحة بالقصور الذاتي في المركبة الفضائية.
تماما كما جاليليو إسقاط اثنين من الكرات من مواد مختلفة في نفس التجربة على برج بيزا المائل، ايطاليا، BECS عن طريق اختبار تأثير الجاذبية على نوعين مختلفين من الذرات، والتداخل ذرة يمكن التحقق من أن كافة الكائنات (سواء كان وزنهم أو التكوين هي نفسها) المبدأ العام أن جميع الكائنات في تسارع الجاذبية التي هي نفسها.
وقد أصبح هذا "مبدأ التكافؤ" الآن نظرية أينشتاين الجاذبية - حجر الزاوية في نظرية النسبية العامة، والفيزياء زالت حريصة على الطريق قدر الإمكان للتحقق من ذلك.
مشروع CAL هو مجرد بداية الذرات الباردة في تجارب فضائية. وبالإضافة إلى هذا الإطلاق، CAL وخطط فريق QUANTUS لإجراء مشتركة تسمى "Becal" مهمة محطة الفضاء الدولية، ومن المتوقع أن إطلاق في عام 2020 أو 2021. وسوف تركز هذه المهمة على ذرة التداخل، للحصول على أفضل تبحث "مبدأ التكافؤ" اختبار أعلى من حساسية الحالية.
هذه الشراكة أيضا لإظهار فرق مختلفة من الأساليب الفنية. وكالة ناسا لتكون قادرة على دمج CAL في غضون خمس سنوات، فإنه يعتمد على التجاري، قبالة التكنولوجيا الرف. ومن المتوقع أن تكون جزءا لا يتجزأ التكنولوجيا المنتخب الألماني إلى محطة الفضاء الدولية لحزمة الترقية JPL مشروع التعاون Becal.
علماء الفيزياء هناك "هدف صغير"، وهذا هو لإطلاق قمر صناعي تجريبي مخصص في الفضاء لتحقيق تجارب الذرة الباردة. على الرغم من أن محطة الفضاء يتيح حاليا بيئة انعدام الوزن، ولكن امتلأت الداخلية مع صدمة الضوضاء مثل المضخات والآلات الأخرى، والأقمار الصناعية بيئة أكثر هدوءا قد تجعل تجارب الذرة الباردة لتحقيق أعلى قدر من الدقة والحساسية.
باستخدام الأقمار الصناعية مخصص مع وجود اختلافات طفيفة ذرة تداخل لقياس قوة الجاذبية الأرضية لا يمكن أن يتحقق، وسوف يكون أعلى من دقة قياس قياسات الأقمار الصناعية الحالية وسيعتمد هذا العالم لتدفق كتلة (بسبب عوامل مثل ذوبان الصفائح الجليدية والصرف من سبب طبقات المياه الجوفية تحت الأرض) لتوفير أداة جديدة.
ومع ذلك، مهما كانت الخطة الكبرى بعد، ويستند كل شيء على العلماء يجب أن تعلم أولا كيفية إجراء البحوث الفيزياء الذرية في الفضاء، وهي التي يكون فيها الغرض من إنشاء CAL.
على الرغم من أن الباحثين ما زالوا لا يعرفون ما ينتظرهم مستقبل، ولكن إذا قال ساكيت " عندما نفهم هذا النظام وتشغيلها، وأنا متأكد من أننا سيكون لديك بعض الأفكار باردة من أي وقت مضى . "
- مزيد من القراءة:
"الباردة" CAL ذرات المجمدة رباعية
من أجل أن الغاز يتم تبريده إلى قرب الصفر المطلق، فإن CAL تكون عملية متعددة الخطوات في فراغ الغرفة حجم الزبدة. ودعا "رقاقة الذري" الرقائق القيادة خطوة التبريد النهائية.
خطوة واحدة: ليزر تبريد
في فخ مغناطيسي في اتجاه إلغاء حركة الليزر ست ذرات، وتباطؤ وتبريدها.
الخطوة الثانية: رقاقة الذري "الاستيلاء على"
يتم تبريد الذرات إلى حوالي 100 كلفن متى سيتم تحويلها إلى ذرات فخ مغناطيسي النقية التي تم إنشاؤها بواسطة رقاقة الحالي.
الخطوة الثالثة: التبريد التبخيري
كما تهب على الحساء كما موجات الراديو من رقاقة ستطلق سخونة ذرات من فخ، وترك ذرات برودة، BEC قد تتشكل في هذه المرحلة.
الخطوة الرابعة: التوسع التبريد
من أجل خفض درجة الحرارة، وضعف القوة المغناطيسية بشكل جيد، ويتم توسيع نطاق جيدا المحتملين، وسعت وزيادة تبريد سحابة ذرية.
"تبريد الذري التاريخ "
