Trots decennier av pågående forskning försöker forskare att förstå hur de fyra grundläggande krafterna i universum passar samman. Medan kvantmekanik kan förklara hur tre av dessa krafter saker fungerar tillsammans på den minsta vågen (elektromagnetism, svaga och starka kärnkrafter), förklarar General Relativity hur saker och ting fungerar på de största skalorna (dvs. allvar). I detta avseende förblir tyngdkraften uthållningen.
För att förstå hur tyngdkraften interagerar med materien på de minsta skalorna, har forskare utvecklat några riktigt banbrytande experiment. En av dessa är NASAs Cold Atom Laboratory (CAL), beläget ombord på ISS, som nyligen uppnådde en milstolpe genom att skapa moln med atomer kända som Bose-Einstein-kondensat (BEC). Det var första gången BEC skapats i omloppsbana och erbjuder nya möjligheter att undersöka fysikens lagar.
Ursprungligen förutses av Satyendra Nath Bose och Albert Einstein för 71 år sedan, BEC är i huvudsak ultrakalla atomer som når temperaturer precis över absolut noll, den punkt där atomer bör sluta röra sig helt (i teorin). Dessa partiklar är långlivade och exakt kontrollerade, vilket gör dem till den perfekta plattformen för att studera kvantfenomen.
Detta är syftet med CAL-anläggningen, som är att studera ultrakalla kvantgaser i en mikrogravitetsmiljö. Laboratoriet installerades i US Science Lab ombord på ISS i slutet av maj och är det första i sitt slag i rymden. Den är utformad för att främja forskarnas förmåga att göra precisionsmätningar av tyngdkraften och studera hur den interagerar med materien på den minsta vågen.
Som Robert Thompson, CAL-projektforskare och fysiker vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory, förklarade i ett nyligen pressmeddelande:
”Att ha ett BEC-experiment som fungerar på rymdstationen är en dröm som går i uppfyllelse. Det har varit en lång, svår väg att komma hit, men helt värt kampen, eftersom det är så mycket vi kommer att kunna göra med den här anläggningen. "
För ungefär två veckor sedan bekräftade CAL-forskare att anläggningen hade producerat BEC från atomer av rubidium - ett mjukt, silver-vitt metallelement i alkaligruppen. Enligt deras rapport hade de nått temperaturer så låga som 100 nanoKelvin, en tio miljon av en Kelvin över absolut noll (-273 ° C; -459 ° F). Detta är ungefär 3 K (-270 ° C; -454 ° F) kallare än medeltemperaturen för rymden.
På grund av deras unika beteende karakteriseras BEC: er som ett femte tillstånd av materia, skiljt från gaser, vätskor, fasta ämnen och plasma. I BEC fungerar atomer mer som vågor än partiklar i den makroskopiska skalan, medan detta beteende vanligtvis endast kan observeras i den mikroskopiska skalan. Dessutom antar atomerna alla sina lägsta energitillstånd och tar på sig samma vågidentitet, vilket gör dem omöjliga att skilja sig från varandra.
Kort sagt, atommolnen börjar bete sig som en enda "superatom" snarare än enskilda atomer, vilket gör dem lättare att studera. De första BEC: erna producerades i ett laboratorium 1995 av ett vetenskapsteam bestående av Eric Cornell, Carl Wieman och Wolfgang Ketterle, som delade 2001 Nobelpriset i fysik för deras prestation. Sedan den tiden har hundratals BEC-experiment genomförts på jorden och en del har till och med skickats ut i rymden ombord på klingande raketer.
Men CAL-anläggningen är unik genom att den är den första i sitt slag på ISS, där forskare kan göra dagliga studier under långa perioder. Anläggningen består av två standardiserade containrar, som består av det större ”fyrhjulet” och det mindre ”enda skåpet”. Fyrhjulet innehåller CAL: s fysikpaket, facket där CAL kommer att producera moln med ultralösa atomer.
Detta görs genom att använda magnetfält eller fokuserade lasrar för att skapa friktionsfria behållare som kallas ”atomfällor”. När atommolnet dekomprimeras inuti atomfällan sjunker temperaturen naturligt och blir kallare ju längre den blir kvar i fällan. På jorden, när dessa fällor stängs av, får gravitationen atomerna att börja röra sig igen, vilket innebär att de bara kan studeras för bråkdelar av en sekund.
Ombord på ISS, som är en mikrogravitetsmiljö, kan BEC dekomprimera till kallare temperaturer än med något instrument på jorden och forskare kan observera enskilda BEC i fem till tio sekunder åt gången och upprepa dessa mätningar i upp till sex timmar per dag. Och eftersom anläggningen styrs på distans från Earth Orbiting Missions Operation Center vid JPL, kräver de dagliga operationerna inget ingripande från astronauter ombord på stationen.
Robert Shotwell, chefstekniker för JPL: s astronomi- och fysikdirektorat, har övervakat projektet sedan februari 2017. Som han antydde i ett nyligen pressmeddelande från NASA:
”CAL är ett extremt komplicerat instrument. Vanligtvis involverar BEC-experiment tillräckligt med utrustning för att fylla ett rum och kräver nästan konstant övervakning av forskare, medan CAL är ungefär storleken på ett litet kylskåp och kan drivas på distans från Jorden. Det var en kamp och krävde betydande ansträngningar för att övervinna alla hinder som behövs för att producera den sofistikerade anläggningen som fungerar på rymdstationen idag. "
När vi ser framåt vill CAL-forskarna gå ännu längre och uppnå temperaturer som är lägre än någonting som uppnås på jorden. Förutom rubidium arbetar CAL-teamet också för att skapa BECS med två olika isotoper av kaliumatomer. Just nu är CAL fortfarande i en idrifttagningsfas, som består av operatörsteamet som genomför en lång serie tester för att se hur CAL-anläggningen kommer att fungera i mikrogravitet.
Men när det är igång kommer fem vetenskapsgrupper - inklusive grupper under ledning av Cornell och Ketterle - att genomföra experiment på anläggningen under det första året. Vetenskapsfasen förväntas börja i början av september och kommer att pågå i tre år. Som Kamal Oudrhiri, JPL: s uppdragschef för CAL, uttryckte det:
”Det finns ett världsomspännande team av forskare som är redo och glada att använda den här anläggningen. Det olika utbudet av experiment som de planerar att utföra innebär att det finns många tekniker för att manipulera och kyla de atomer som vi behöver anpassa för mikrogravitet, innan vi överlämnar instrumentet till de viktigaste utredarna för att påbörja vetenskapliga operationer. ”
Med en viss tid kan Cold Atom Lab (CAL) hjälpa forskare att förstå hur tyngdkraften fungerar på de minsta skalorna. Kombinerat med högenergiförsök utförda av CERN och andra partikelfysiklaboratorier runt om i världen kan detta så småningom leda till en teori om allt (ToE) och en fullständig förståelse för hur universum fungerar.
Och se till att kolla in den här coola videon (ingen ordlista!) Av CAL-anläggningen också, med tillstånd av NASA:
