Этим летом НАСА отправит на Международную космическую станцию «ледяной бокс», который станет самым холодным местом во Вселенной.
© NASA
Внутри бокса будут использоваться лазеры, вакуумная камера и электромагнитный «нож», чтобы компенсировать энергию частиц газа, замедляя их, пока они не станут почти неподвижными. Этот набор инструментов под названием Лаборатория холодного атома (Cold Atom Laboratory (CAL)) был разработан Лабораторией реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния. CAL находится на заключительной стадии сборки и уже в августе будет отправлен на МКС на грузовом корабле SpaceX CRS-12.
Инструменты предназначены для заморозки атомов газа до одной миллиардной степени выше абсолютного нуля. Это более чем в 100 миллионов раз холоднее, чем в космосе.
«Изучение этих сверххолодных атомов могло бы изменить наше понимание материи и природы гравитации, — сообщил научный сотрудник проекта Роберт Томпсон. — Эксперименты с Cold Atom Laboratory помогут нам понять гравитацию и темную энергию — одни из самых распространенных сил во Вселенной».
Когда атомы охлаждаются до экстремальной температуры, такой как внутри CAL, они могут образовать определенное состояние вещества, называемое конденсат Бозе — Эйнштейна. В этом состоянии обычная физика уступает место квантовой. Материя может вести себя в меньшей степени как частицы и в большей как волны. Ряды атомов перемещаются согласованно друг с другом, словно скачут по движущейся ткани.
НАСА никогда прежде не создавало и не наблюдало конденсат Бозе — Эйнштейна в космосе. На Земле сила тяжести заставляет атомы постоянно оседать, поэтому они обычно видны только на долю секунды.
Но на МКС ультрахолодные атомы могут удерживать свои волнообразные формы дольше, пока они находятся в свободном падении. Это даст ученым больше времени, чтобы понять физику на ее самом базовом уровне. По оценкам Томпсона, CAL позволит наблюдать конденсат Бозе-Эйнштейна в течение 5–10 секунд. Дальнейшее развитие технологий системы может позволить им продержаться сотни секунд.
Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой «супержидкость» — своего рода жидкость с нулевой вязкостью, в которой атомы движутся без трения, как если бы они были единым твердым веществом.
«Если бы у вас была супертекучая вода, которая вращалась бы в стакане, то она вращалась бы вечно, — сказала руководитель проекта Анита Сенгупта. — Нет вязкости, чтобы замедлить ее и рассеять кинетическую энергию. Если мы сможем лучше понять физику сверхтекучих жидкостей, мы можем научиться использовать их для более эффективной передачи энергии».
Пять научных команд планируют провести эксперименты, используя Лабораторию холодного атома. Результатом этих экспериментов может стать ряд усовершенствованных технологий, включая датчики, квантовые компьютеры и атомные часы для навигации космических аппаратов.
Особенно интересны приложения, связанные с обнаружением темной энергии. Современные модели космологии делят Вселенную так: 27 % темной материи, 68 % темной энергии и около 5 % обычной материи.
Это означает, что даже при всех наших современных технологиях 95 % Вселенной остаются для нас невидимой тайной. Как новая линза в первом телескопе Галилео, сверхчувствительные холодные атомы в CAL обладают потенциалом, чтобы раскрыть многие загадки за пределами известной физики.
В настоящее время система проходит фазу тестирования, после чего будет доставлена в Кейп-Канаверал, штат Флорида.