Az űrben először figyelték meg a kvantum "ötödik halmazállapotot”

A tudósok első ízben figyelték meg az anyag ötödik állapotát az űrben, ami példátlan eredménynek számít és segíthet megoldani a kvantum u...

A tudósok első ízben figyelték meg az anyag ötödik állapotát az űrben, ami példátlan eredménynek számít és segíthet megoldani a kvantum univerzum megoldhatatlannak tűnő talányait, jelentették egy nemrég megjelent kutatásban.

Bose-Einstein kondenzátumok (BEC-k) - amelyek létezését Albert Einstein és az indiai matematikus Satyendra Nath Bose majdnem egy évszázaddal ezelőtt megjósolta - akkor képződnek, amikor egyes elemek atomjait abszolút nulla fokra hűtik (mínusz 273,15 Celsius).

Ezen a ponton az atomok egyetlen entitássá válnak olyan kvantum tulajdonságokkal, ahol az egyes részecskék anyaghullámként is funkcionálnak.

A BEC-k áthatolnak a makroszkopikus világ vonalai között, amelyet olyan erők irányítanak, mint például a gravitáció, és a kvantummechanika által irányított mikroszkopikus sík.

A tudósok úgy vélik, hogy a BEC-k kulcsfontosságú nyomokat tartalmaznak olyan titokzatos jelenségekre vonatkozóan, mint például a sötét energia - az ismeretlen energia, amely az univerzum gyorsuló tágulásának hátterében áll.

A BEC-k azonban rendkívül törékenyek. A legkisebb interakció a külvilággal elegendő ahhoz, hogy felmelegedjenek a kondenzációs küszöb fölé. Ez szinte lehetetlenné teszi a tudósok számára, hogy a Földön tanulmányozzák őket, ahol a gravitáció zavarja a mágneses tereket, amelyek szükségesek ahhoz, hogy megfigyelés céljából a helyükön maradjanak.

A napokban NASA tudósok egy csoportja nyilvánosságra hozta a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén végzett BEC kísérletek első eredményeit, ahol a részecskék a földi korlátoktól mentesen manipulálhatók. (1)

"A mikrogravitáció lehetővé teszi, hogy az atomokat sokkal gyengébb erővel korlátozzuk, mivel nem kell támogatnunk őket a gravitáció ellen," - mondta Robert Thompson, a pasadenai Kaliforniai Technológiai Intézet kutatója.

A Nature folyóiratban közzétett kutatás számos megdöbbentő különbséget dokumentál a Földön és az ISS fedélzetén létrejött BEC-k tulajdonságai között. Egyrészről a földi laboratóriumokban a BEC-k általában csupán milliszekundumokig képesek fennmaradni, mielőtt szétoszlanának.

Az ISS fedélzetén a BEC-k több mint egy másodpercig tartottak, ami példa nélküli esélyt adott a csapatnak, hogy tanulmányozzák a tulajdonságaikat. Továbbá a mikrogravitáció lehetővé tette az atomok manipulálását gyengébb mágneses mezőkkel, felgyorsítva a hűtést és lehetővé téve a tisztább képalkotást.

"Figyelemre méltó" áttörés

Az ötödik halmazállapot létrehozása, különösen egy űrállomás fizikai határain belül, nem mindennapi jellemző.

Először is a bozonokat - amelyek azonos számú protont és elektront tartalmaznak - abszolút nullához közeli hőmérsékletre hűtik le lézerek segítségével, hogy rögzítsék őket a helyükön. Minél lassabban mozognak az atomok, annál hidegebbé válnak.

Ahogy elveszítik a hőt, egy mágneses mezőt alkalmaznak, hogy megakadályozzák őket a mozgásban, és minden egyes részecske hullám kitágul. Amikor sok bozont egy olyan mikroszkópikus "csapdába" ejtenek, amelyben a hullámok átfedik egymást és egyetlen anyaghullámot hoznak létre, ezt a tulajdonságot kvantum degenerációnak nevezik.

Ezután a mágneses csapdát elengedik annak érdekében, hogy a tudósok tanulmányozzák a kondenzátumot, ekkor azonban az atomok elkezdik taszítani egymást, aminek eredményeként a felhő szétszóródik, és a BEC túl híggá válik az észleléshez.

Thompson és a csapat rájött, hogy az ISS fedélzetén levő mikrogravitáció lehetővé teszi számukra, hogy rubídiumból - lágy fém, amely hasonló a káliumhoz - BEC-ket hozzanak létre egy sokkal sekélyebb csapdában, mint a Földön. Ez jelentősen megnövelte azt az időt, amikor a kondenzátumot tanulmányozhatták, mielőtt szétoszlott volna.

"A legfontosabb, hogy megfigyelhetjük az atomokat, ahogy azok külső erők nélkül teljesen szabadon lebegnek," - mondta Thompson.

Korábbi tanulmányok során már próbálták utánozni a súlytalanság BEC-kre gyakorolt hatását, miközben szabadesésben lévő repülőgépeken és rakétákon, valamint különböző magasságokban leejtett készülékekben tesztelték.

A kutatócsoport vezetője, David Aveline azt mondta, hogy a BEC-k mikrogravitációs vizsgálata számos kutatási lehetőséget nyitott meg.

"Az alkalmazások az általános relativitáselméleti tesztektől a sötét energia és a gravitációs hullámok keresésétől, az űrhajók navigálásáig és a Hold és más bolygótestek felszín alatti ásványainak feltárásáig terjednek," - mondta.

(1) - https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1
(2) - https://phys.org/news/2020-06-quantum-state-space