Trotz jahrzehntelanger Forschung versuchen Wissenschaftler zu verstehen, wie die vier fundamentalen Kräfte des Universums zusammenpassen. Während die Quantenmechanik erklären kann, wie drei dieser Kräfte auf der kleinsten Skala zusammenarbeiten (Elektromagnetismus, schwache und starke Kernkräfte), erklärt die Allgemeine Relativitätstheorie, wie sich die Dinge auf der größten Skala verhalten (d. H. Schwerkraft). In dieser Hinsicht bleibt die Schwerkraft das Hindernis.
Um zu verstehen, wie die Schwerkraft auf kleinsten Skalen mit Materie interagiert, haben Wissenschaftler einige wirklich innovative Experimente entwickelt. Eines davon ist das Cold Atom Laboratory (CAL) der NASA an Bord der ISS, das kürzlich einen Meilenstein durch die Erzeugung von Atomwolken erreicht hat, die als Bose-Einstein-Kondensate (BECs) bekannt sind. Dies war das erste Mal, dass BECs im Orbit erstellt wurden, und bietet neue Möglichkeiten, die Gesetze der Physik zu untersuchen.
Ursprünglich von Satyendra Nath Bose und Albert Einstein vor 71 Jahren vorhergesagt, sind BECs im Wesentlichen ultrakalte Atome, die Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt erreichen, dem Punkt, an dem sich Atome (theoretisch) nicht mehr bewegen sollten. Diese Teilchen sind langlebig und präzise gesteuert, was sie zur idealen Plattform für die Untersuchung von Quantenphänomenen macht.
Dies ist der Zweck der CAL-Anlage, mit der ultrakalte Quantengase in einer Mikrogravitationsumgebung untersucht werden sollen. Das Labor wurde Ende Mai im US Science Lab an Bord der ISS installiert und ist das erste seiner Art im Weltraum. Es soll die Fähigkeit von Wissenschaftlern verbessern, Präzisionsmessungen der Schwerkraft durchzuführen und zu untersuchen, wie diese mit Materie auf kleinstem Raum interagieren.
Robert Thompson, CAL-Projektwissenschaftler und Physiker am Jet Propulsion Laboratory der NASA, erklärte kürzlich in einer Pressemitteilung:
„Ein BEC-Experiment auf der Raumstation ist ein wahr gewordener Traum. Es war ein langer, schwieriger Weg, hierher zu kommen, aber der Kampf hat sich voll und ganz gelohnt, denn wir werden mit dieser Einrichtung so viel anfangen können. "
Vor ungefähr zwei Wochen bestätigten CAL-Wissenschaftler, dass die Anlage BECs aus Rubidiumatomen hergestellt hatte - einem weichen, silberweißen Metallelement in der Alkaligruppe. Ihrem Bericht zufolge hatten sie Temperaturen von nur 100 Nano-Kelvin erreicht, zehn Millionen von einem Kelvin über dem absoluten Nullpunkt (-273 ° C; -459 ° F). Dies ist ungefähr 3 K (-270 ° C; -454 ° F) kälter als die durchschnittliche Raumtemperatur.
Aufgrund ihres einzigartigen Verhaltens werden BECs als fünfter Materiezustand charakterisiert, der sich von Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und Plasma unterscheidet. In BECs wirken Atome im makroskopischen Maßstab eher wie Wellen als wie Partikel, während dieses Verhalten normalerweise nur im mikroskopischen Maßstab beobachtet werden kann. Außerdem nehmen alle Atome ihren niedrigsten Energiezustand an und nehmen dieselbe Wellenidentität an, wodurch sie nicht voneinander zu unterscheiden sind.
Kurz gesagt, die Atomwolken verhalten sich eher wie ein einzelnes „Superatom“ als wie einzelne Atome, was ihre Untersuchung erleichtert. Die ersten BECs wurden 1995 in einem Labor von einem Wissenschaftsteam aus Eric Cornell, Carl Wieman und Wolfgang Ketterle hergestellt, die für ihre Leistung 2001 den Nobelpreis für Physik erhielten. Seitdem wurden Hunderte von BEC-Experimenten auf der Erde durchgeführt und einige wurden sogar an Bord von Raketen in den Weltraum geschickt.
Die CAL-Einrichtung ist jedoch insofern einzigartig, als sie die erste ihrer Art auf der ISS ist, in der Wissenschaftler über lange Zeiträume hinweg tägliche Studien durchführen können. Die Anlage besteht aus zwei standardisierten Containern, die aus dem größeren „Quad Locker“ und dem kleineren „Single Locker“ bestehen. Das Quad-Schließfach enthält das Physikpaket von CAL, das Fach, in dem CAL Wolken ultrakalter Atome erzeugt.
Dazu werden Magnetfelder oder fokussierte Laser verwendet, um reibungslose Behälter zu erzeugen, die als „Atomfallen“ bezeichnet werden. Wenn sich die Atomwolke in der Atomfalle dekomprimiert, sinkt ihre Temperatur auf natürliche Weise und wird kälter, je länger sie in der Falle bleibt. Wenn diese Fallen auf der Erde ausgeschaltet werden, bewegen sich die Atome durch die Schwerkraft wieder, was bedeutet, dass sie nur für Sekundenbruchteile untersucht werden können.
An Bord der ISS, einer Mikrogravitationsumgebung, können BECs auf kältere Temperaturen dekomprimiert werden als mit jedem anderen Instrument auf der Erde. Wissenschaftler können einzelne BECs jeweils fünf bis zehn Sekunden lang beobachten und diese Messungen bis zu sechs Stunden pro Tag wiederholen. Und da die Einrichtung vom Operationszentrum für Erdumlaufmissionen bei JPL ferngesteuert wird, müssen für den täglichen Betrieb keine Astronauten an Bord der Station eingreifen.
Robert Shotwell, der Chefingenieur der JPL-Direktion für Astronomie und Physik, hat das Projekt seit Februar 2017 überwacht. Wie er kürzlich in einer Pressemitteilung der NASA anzeigte:
„CAL ist ein äußerst kompliziertes Instrument. In der Regel umfassen BEC-Experimente genügend Geräte, um einen Raum zu füllen, und erfordern eine nahezu konstante Überwachung durch Wissenschaftler, während CAL etwa die Größe eines kleinen Kühlschranks hat und von der Erde aus ferngesteuert werden kann. Es war ein Kampf und erforderte erhebliche Anstrengungen, um alle Hürden zu überwinden, die für die Herstellung der hoch entwickelten Anlage erforderlich sind, die heute auf der Raumstation betrieben wird. "
Mit Blick auf die Zukunft wollen die CAL-Wissenschaftler noch weiter gehen und Temperaturen erreichen, die niedriger sind als alles, was auf der Erde erreicht wird. Neben Rubidium arbeitet das CAL-Team auch daran, BECS unter Verwendung von zwei verschiedenen Isotopen von Kaliumatomen herzustellen. Derzeit befindet sich CAL noch in einer Inbetriebnahmephase, in der das Betriebsteam eine lange Reihe von Tests durchführt, um festzustellen, wie die CAL-Anlage in Schwerelosigkeit arbeiten wird.
Sobald es jedoch in Betrieb ist, werden fünf Wissenschaftsgruppen - darunter Gruppen unter der Leitung von Cornell und Ketterle - im ersten Jahr Experimente in der Einrichtung durchführen. Die Wissenschaftsphase wird voraussichtlich Anfang September beginnen und drei Jahre dauern. Kamal Oudrhiri, JPLs Missionsmanager für CAL, sagte:
„Es gibt ein weltumspannendes Team von Wissenschaftlern, die bereit und aufgeregt sind, diese Einrichtung zu nutzen. Aufgrund der vielfältigen Experimente, die sie durchführen möchten, gibt es viele Techniken zur Manipulation und Kühlung der Atome, die wir an die Mikrogravitation anpassen müssen, bevor wir das Instrument den Hauptforschern übergeben, um mit wissenschaftlichen Operationen zu beginnen. “
Mit der Zeit kann das Cold Atom Lab (CAL) Wissenschaftlern helfen, zu verstehen, wie die Schwerkraft auf kleinsten Skalen funktioniert. In Kombination mit Hochenergieexperimenten, die von CERN und anderen Laboratorien für Teilchenphysik auf der ganzen Welt durchgeführt wurden, könnte dies schließlich zu einer Theorie von allem (ToE) und einem vollständigen Verständnis der Funktionsweise des Universums führen.
Schauen Sie sich auch dieses coole Video (kein Wortspiel!) Der CAL-Einrichtung an, mit freundlicher Genehmigung der NASA:
