يخلق العلماء حالة خامسة من المادة الغريبة على محطة الفضاء لاستكشاف العالم الكمي

بيانات توزيع السرعة لذرات الروبيديوم الغازية التي أكدت اكتشاف مكثف بوز-آينشتاين في عام 1995.

بيانات توزيع السرعة لذرات الروبيديوم الغازية التي أكدت اكتشاف مكثف بوز-آينشتاين في عام 1995. (رصيد الصورة: NIST / JILA / CU-Boulder)



توصلت دراسة جديدة إلى أن العلماء توصلوا إلى شكل غريب من المادة في بيئة الجاذبية الصغرى الفريدة على متن محطة الفضاء الدولية ويستخدمونها لاستكشاف العالم الكمي.



هناك أربع حالات للمادة الشائعة في الحياة اليومية - الغازات والسوائل والمواد الصلبة والبلازما. ومع ذلك ، هناك أيضًا حالة خامسة من المادة - مكثفات بوز-آينشتاين (BECs) ، الذي ابتكره العلماء لأول مرة في المختبر منذ 25 عامًا. عندما يتم تبريد مجموعة من الذرات إلى ما يقرب من الصفر المطلق ، تبدأ الذرات في التكتل معًا ، وتتصرف كما لو كانت 'ذرة عظمى' واحدة كبيرة.

تمتد مكثفات بوز-آينشتاين على الحدود بين العالم اليومي ، الذي تحكمه الفيزياء الكلاسيكية ، والعالم المجهري ، الذي يتبع قواعد ميكانيكا الكم. في عالم ميكانيكا الكم ، يمكن للجسيم أن يتصرف كما لو كان يدور في اتجاهين متعاكسين في نفس الوقت ، أو كما لو كان موجودًا في موقعين أو أكثر في وقت واحد. نظرًا لأنها تتبع بعض هذه السلوكيات الكمومية ، فقد تقدم مكثفات بوز-آينشتاين للعلماء أدلة رئيسية حول طريقة عمل ميكانيكا الكم ، مما قد يساعد في حل الألغاز مثل كيفية إنشاء `` نظرية كل شيء '' التي يمكن أن تشرح طريقة عمل الكون من من الأصغر إلى الأكبر.



متعلق ب: توفر الذرات شديدة البرودة نظرة ثاقبة للكون المبكر

يصنع العلماء الآن بشكل روتيني مكثفات بوز-آينشتاين في مئات المختبرات في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك ، فإن أحد القيود التي تقف في طريق هذا البحث هو الجاذبية. هذه `` الذرات الفائقة '' هشة للغاية والإعدادات المستخدمة في إنشائها حساسة للغاية ، لذا فإن قوة الجاذبية التي نشعر بها على الأرض يمكن أن تعطل كليهما ، مما يجعل معرفة الكثير عنها أمرًا صعبًا.

على هذا النحو ، طور الباحثون معمل الذرة الباردة ، والتي يمكن أن تولد مكثفات بوز-آينشتاين في الجاذبية الصغرى الموجودة في المدار على متن المحطة الفضائية. تم إطلاق مختبر Cold Atom Lab في عام 2018 ، وهو صغير ولا يتطلب سوى كمية صغيرة نسبيًا من الطاقة ، لذا فهو يلبي القيود المحددة على متن المحطة الفضائية. في حين أن المعدات اللازمة في الأصل لإنشاء مكثفات بوز-آينشتاين على الأرض يمكن أن تستوعب مختبرًا كاملاً ، فإن مختبر الذرة الباردة لا يشغل سوى 14 قدمًا مكعبًا (0.4 متر مكعب) ويتطلب كليًا متوسط ​​510 واط من الطاقة.



باستخدام معمل Cold Atom ، وجد الباحثون في دراسة جديدة أنه يمكنهم زيادة مقدار الوقت الذي يمكنهم فيه تحليل هذه المكثفات بعد إيقاف المصائد التي تحصر المادة لأكثر من ثانية واحدة. بالمقارنة ، على الأرض ، لن يكون لدى العلماء سوى جزء من المئات من الثانية الواحدة للقيام بنفس المهمة.

بالإضافة إلى ذلك ، وجد العلماء في الجاذبية الصغرى أنهم بحاجة إلى قوى أضعف لاحتجاز المكثفات. وهذا بدوره يعني أنه يمكنهم تكوين المكثفات عند درجات حرارة منخفضة. وفي درجات الحرارة هذه ، ستصبح التأثيرات الكمية الغريبة أكثر وضوحًا.

حتى الآن مع هذه الدراسة ، ابتكر الباحثون مكثفات بوز-أينشتاين باستخدام ذرات الروبيديوم. في النهاية ، يهدفون أيضًا إلى إضافة ذرات البوتاسيوم للتحقيق في ما يحدث عندما يختلط اثنان من المكثفات ، وفقًا لما قاله كبير مؤلفي الدراسة روبرت طومسون ، عالم الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا ، لموقع ProfoundSpace.org. بالإضافة إلى ذلك ، يسعى العلماء الآن إلى استخدام مختبر الذرة الباردة لإنشاء مكثفات بوز-آينشتاين الكروية ، والتي لا يمكن إنشاؤها إلا في الفضاء ، أضاف طومسون.



في الماضي ، كانت رؤيتنا الرئيسية حول الأعمال الداخلية للطبيعة تأتي من مسرعات الجسيمات والمراصد الفلكية ؛ في المستقبل ، أعتقد أن القياسات الدقيقة باستخدام الذرات الباردة ستلعب دورًا متزايد الأهمية.

شرح العلماء بالتفصيل النتائج التي توصلوا إليها في عدد 11 يونيو من مجلة نيتشر.

تابع تشارلز كيو تشوي على تويتر تضمين التغريدة . تابعنا على تويتر تضمين التغريدة و على موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك .

العرض: وفر 45٪ على 'All About Space' و 'How it Works' و 'All About History'!

لفترة محدودة ، يمكنك الحصول على اشتراك رقمي في أي من ملفات مجلاتنا العلمية الأكثر مبيعًا مقابل 2.38 دولار شهريًا فقط ، أو خصم 45٪ على السعر القياسي للأشهر الثلاثة الأولى. عرض الصفقة