برای اولین بار در فضا، مخلوطی از دو گاز کوتومی ساخته شده از دو نوع اتم را تولید کردند. این مجموعه در آزمایشگاه اتم سرد ناسا در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام شد و گام دیگری برای پیاده‌سازی فناوری‌های کوانتومی در فضا است. فیزیکدانان دانشگاه لایبنیتز هانوفر (LUH) و با همکاری بخشی به رهبری پروفسور نیکلاس بیگلو (Prof. Nicholas Bigelow ) از دانشگاه روچستر، محاسبات نظری لازم برای این طرح را ارائه کردند.
در حالی که ابزارهای کوانتومی در حال حاضر در همه چیز از تلفن های همراه تا جی پی اس و تجهیزات پزشکی استفاده می شود، در آینده، ابزارهای کوانتومی برای بهبود سیارات از جمله سیاره ما، و همچنین برای کمک به حل اسرار. جهان و درک‌تر ما نسبت به قوانین طبیعت استفاده می‌شوند.
با این قابلیت جدید، اکنون می‌توانم تنها ویژگی‌های کوانتومی را نداشته باشم، بلکه شیمی کوانتومی است، که بر روی ویژگی‌ها و ترکیبات ایزوتوپ‌های عناصر مختلف با ترکیب در حالت کوانتومی، انواع مختلف آن را نیز مطالعه کرده است. مطالعات انجام‌شده از آزمایش‌ها را با آزمایشگاه اتم سرد انجام می‌دهند و در موارد ظریف انجام آنها در میکروگرانش اطلاعات بیشتری کسب می‌کنند. این دانش برای بهره‌برداری از امکانات بی‌نظیر برای توسعه فناوری‌های کوانتومی جدید بر روی فضا است.
دنیای اطراف ما به اتم‌ها و مولکول‌ها بستگی دارد که بر اساس مجموعه‌ای از قوانین تعیین‌شده به هم مرتبط می‌شوند. اما بسته به محیطی که اتم‌ها و مولکول‌ها در آن هستند، قواعد می‌توانند تقویت یا ضعیف شوند - مانند گرانش میکرو. دانشمندانی که از آزمایشگاه‌های اتم سرد استفاده می‌کنند در حال بررسی سناریوهایی هستند که در آن ماهیت کوانتومی‌ها در رفتارهای آنها غالب است. این می تواند به این معنی باشد که به جای اینکه مانند توپ های جامد بیلیارد عمل کنند، اتم ها و مولکول ها بیشتر شبیه رفتار می کنند.
در یکی از این سناریوها، اتم‌های مولکول‌های دو یا سه اتمی می‌توانند به هم مرتبط بمانند، اما به طور معمول فزاینده‌ای از هم دور می‌شوند، معمولاً به نظر می‌رسند که مولکول‌ها در حال حاضر هستند. برای مطالعه این حالت، ابتدا باید سرعت اتم ها را کاهش داد. این کار را با سرد کردن آنها تا کسری از درجه بالاتر از کمترین دمایی انجام می دهند که ماده می تواند به آن برسد و بسیار سردتر از هر چیزی است که در جهان طبیعی یافت می شود: صفر مطلق یا منفی 273 درجه سانتیگراد.
فیزیکدانان این مولکول‌های پف کرده را در آزمایش‌های اتم‌های سرد روی زمین ایجاد کرده‌اند، اما بسیار شکننده هستند و یا به سرعت از هم می‌شوند یا به حالت مولکولی طبیعی برمی‌گردند. به همین دلیل، مولکول های بزرگ شده با سه اتم هرگز مستقیماً تصویربرداری نشده اند. در میکروگرانش، مولکول های شکننده می توانند برای مدت طولانی تری وجود داشته باشند و به طور بالقوه بزرگتر شوند، بنابراین فیزیکدانان برای شروع آزمایش با قابلیت جدید آزمایشگاه اتم سرد هیجان زده هستند. این مولکول‌ها احتمالاً در طبیعت وجود ندارد، اما ممکن است از آنها برای ساخت سازهای حساس استفاده شود که می‌توان جزئی را در قدرت مغناطیسی، به عنوان مثال، یا هر یک از اختلالات دیگری که باعث شود یا فروپاشی آنها می‌شود، انجام دهند. کند.
یک راز جدید
Naceur Gaaloul از مؤسسه اپتیک کوانتومی در LUH و یکی از نویسندگان این مطالعه جدید می‌گوید: «برای مثال، ما اکنون روش‌های کاملاً آزمایشی برای آزمایش اصلی هم ارزی انیشتین، یکی از اساسی‌ترین مفروضات فیزیک بنیادی داریم. این اصل معروف همه است که گرانش بر اجسام بدون توجه به جرم آنها یکسان تاثیر می گذارد. این یک اصل است که بسیاری از معلمان آن را با قرار دادن یک پر و یک چکش در یک محفظه خلاء مهر و موم شده نشان می دهند و نشان می دهند که در صورت عدم وجود اصطکاک هوا، این دو با سرعت یکسان سقوط می کنند.
با استفاده از ابزاری به نام تداخل سنج اتمی، دانشمندان قبلاً آزمایشاتی را روی زمین انجام داده اند تا ببینند آیا اصل هم ارزی در تشخیص اتمی صادق است یا خیر. با استفاده از یک گاز کوانتومی با دو نوع اتم و یک تداخلسنج در میکروگرانش ایستگاه فضایی، آنها می‌توانند آن را با دقت بیشتر از آنچه روی زمین ممکن است آزمایش کنند. با انجام این کار، ممکن است متوجه شوند که آیا نقطه ای وجود دارد که گرانش با همه مواد به یک اندازه برخورد نمی کند، که نشان می دهد نظریه نسبیت عام حاوی یک خطا (هر چند کوچک) است.
اصل هم ارزی بخشی از نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین، پایه اصلی فیزیک گرانشی مدرن است که چگونه رفتار بزرگ مانند سیارات و کهکشان ها را توصیف می کند. اما یک معمای بزرگ در فیزیک مدرن این است که چرا قوانین گرانش به نظر نمی رسد با قوانین فیزیک کوانتومی که رفتار اجسام کوچک مانند اتم ها را توصیف کند، مطابقت داشته باشد. هر دو میدان ها و بارها در قلمرو اندازه های خود صحیح هستند، اما فیزیکدانان نمی توانند آن ها را در یک توصیف واحد از جهان به عنوان یک کل متحد کنند.
جست‌وجوی نظریه‌های گرانش که توسط انیشتین توضیح داده نشده است، یکی از راه‌های جستجو برای وسیله‌های اتحاد این میدان ها یا در مورد ماهیت انرژی تار، محرک اسرارآمیز در پسِ انبساط پرشتاب جهان است.
سنسورهای بهتر
دانشمندان در حال حاضر ایده هایی برای فراتر رفتن از آزمایش فیزیک اساسی در میکروگرانش دارند. آنها همچنین آزمایش‌های مبتنی بر فضا را پیشنهاد کرده‌اند که می‌توانند از تداخلسنج اتمی و گازهای کوانتومی برای اندازه‌گیری گرانش با دقت بالا استفاده کنند تا تغییرات جرم روی زمین را مشاهده کنند. آنچه آنها یاد می‌گیرند می تواند منجر به توسعه حسگرهای دقیق برای طیف گسترده ای از کاربردها مانند ژئوفیزیک، تحقیقات آب و هوا یا ناوبری اینرسی فضایی شود.
کیفیت این حسگرها به این بستگی دارد که دانشمندان چقدر رفتار این اتم ها را در میکروگرانش، از جمله نحوه تعامل آن اتم ها با یکدیگر، درک کنند. معرفی ابزارهایی برای کنترل اتم ها، مانند میدان های مغناطیسی، می‌تواند آنها را مانند روغن و آب از یکدیگر دور کند یا اینکه مانند عسل به هم بچسباند. درک این تعاملات، هدف کلیدی آزمایشگاه اتم سرد و BECCAL، پروژه مشترک ناسا و آژانس هوافضای آلمان (DLR) است.
منبع
Ethan Elliott, Quantum gas mixtures and dual-species atom interferometry in space, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06645-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06645-w
