Forskere skaber et sted, der er koldere end rummets vakuum inde i den internationale rumstation

I 2018, et nyt atomkøleskab vil sprænge af til rumstationen. Det kaldes Cold Atom Lab (CAL), og det kan nedkøle stof til en ti milliardtedel af en grad over det absolutte nulpunkt, lige over det punkt, hvor al atomernes termiske aktivitet teoretisk stopper.

"Ved denne temperatur, atomer mister deres energi og begynder at bevæge sig meget langsomt, " forklarer Rob Thompson, CAL-projektforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL). "Ved stuetemperatur, atomer preller af hinanden i alle retninger med et par hundrede meter i sekundet. Men i CAL vil de bremse en million gange og kondensere til unikke tilstande af kvantestof."

CAL er en flerbrugerfacilitet, der understøtter mange efterforskere, der studerer en bred vifte af emner.

Erik Cornell, en fysiker ved University of Colorado og National Institute of Standards and Technology, skal lede et af de første CAL-eksperimenter. Cornell og hans team vil bruge CAL til at undersøge partikelkollisioner, og hvordan partikler interagerer med hinanden. Ultrakolde gasser produceret af Cold Atom Lab kan indeholde molekyler med tre atomer hver, men som er tusind gange større end et typisk molekyle. Dette resulterer i en lav tæthed, "fluffy" molekyle, der hurtigt falder fra hinanden, medmindre det holdes ekstremt koldt. Hvordan påvirkes partikeladfærd, når flere partikler introduceres? Hvad kan man lære om kvanteobjekter, når flere atomer interagerer på samme tid?

Cornell siger, "Måden atomer opfører sig på i denne tilstand bliver meget kompleks, overraskende og kontraintuitivt, og det er derfor, vi gør det her."

Cornell delte 2001 Nobelprisen i fysik for at skabe Bose-Einstein-kondensater - en anden tilstand af kvantestof, der kan studeres i CAL.

Bose-Einstein-kondensater er i det væsentlige klatter af kvantestof, der ser ud og opfører sig som bølger, der eksisterer ved disse ultrakolde temperaturer. I rummets frie fald, kondensaterne kan holde deres bølgelignende former i fem til ti sekunder - meget længere end på Jorden - hvilket giver forskerne et vindue ind i kvanteriget.

Thompson siger, "Vi kan bruge CAL til at teste generel relativitetsteori og kvantemekanik. Et af de største spørgsmål inden for fysik i dag er, hvordan de to arbejder sammen."

University of Rochester fysiker Nick Bigelow, og University of Berkeley-videnskabsmanden Holger Müller sammen med deres kolleger planlægger at bruge CAL til at teste en hjørnesten i Einsteins relativitetsteori – ækvivalensprincippet, som hævder, at tyngdekraft og ydre acceleration ikke kan skelnes eksperimentelt. De planlægger at gentage Galileos ikoniske eksperiment med at kaste kanonkugler fra det skæve tårn i Pisa, men bruger atomer i stedet. At tabe atomer inde i CAL og lade dem falde i flere sekunder, mens stationen kredser om Jorden, vil give forskere mulighed for præcist at finde ud af forskellene mellem, hvordan atomerne accelererer. Dette eksperiment kan afsløre, hvordan tyngdekraft og rumtid er vævet gennem kvanteriget.

En forsker ved JPL ved navn Jason Williams planlægger også at bruge ultrakolde to-atom-molekyler til at udvikle værktøjer til den næste generation af præcise tyngdekraftstest med kvantegasser.

Der er planlagt mange flere eksperimenter i dette "seje" nye laboratorium – og ingen ved, hvor de vil føre hen. "Med CAL, "siger Thompson, "Vi går ind i det ukendte."