برخوردهای کوانتومی فوق العاده سرد برای اولین بار در فضا حاصل شد



حتی برای دانشمندانی که زندگی خود را وقف درک نیروی جاذبه کرده اند ، جذب بی وقفه نیرو گاهی تأخیر است. به عنوان مثال ، محققانی را در نظر بگیرید که میعانات بوز-انیشتین (BEC) را به عنوان کاوشگرهای دقیق در فیزیک بنیادی مطالعه می کنند. BECs هنگامی اتفاق می افتد که گاز رقیق اتم ها نزدیک صفر مطلق خنک می شوند و مانند یک قطعه عجیب از ماده کوانتومی شروع به رفتار می کنند – شبیه نحوه تبدیل مولکول های آب به هم پیوسته پس از سرد شدن. این تجمع های عجیب و غریب اثرات مکانیکی کوانتومی پنهان مانند ماهیت موج دار ماده را افزایش می دهد و باعث می شود در مقیاس کلان قابل مشاهده باشند. اما گاهی اوقات اثرات مخرب گرانش می تواند مانع ایجاد شود.

فرارهای زمینی از مهار گرانشی شامل قرار دادن BEC در سقوط آزاد ، معمولاً برای فواصل کوتاه در برج های بلند یا هواپیماهایی است که در قوس های سهموی پرواز می کنند. اما بهترین روش شاید ترک زمین با قرار دادن BEC در موشک ها برای تجربه دوره های طولانی سقوط آزاد بدون وزن در فضا باشد. اخیراً تیمی از فیزیکدانان با حمایت آژانس فضایی آلمان گفتند که آنها این کار را انجام می دهند. که در ارتباطات طبیعت در فوریه گذشته ، آنها نتایج یک آزمایش سال 2017 را منتشر کردند که یک تراشه BEC در هر میلی متر را در یک موشک صحیح زیرحاشیه نزدیک به 300 کیلومتری سطح کره زمین تولید می کند. سپس BECs تحت شرایط ریز جاذبه با هم سقوط کردند و به فیزیکدانان اجازه داد تا برخوردها را با جزئیات قابل توجه بررسی کنند. مأموریت آنها ، MAIUS-1 ، اولین کسی بود که با موفقیت در فضا با BEC روبرو شد و زمینه را برای آزمایشهای فضایی جدید در فیزیک بنیادی هموار کرد.

برخورد میعانات گازی

وقتی دو BEC برخورد می کنند ، به جای دفع یکدیگر ، مانند اتم ها معمولاً ، آنها مانند امواج با هم تعامل دارند. وقتی قله های آنها به صف می رود ، یک موج بالاتر هم تشکیل می دهند. اگر اوج یک موج ماده با دهانه موج دیگر همپوشانی داشته باشد ، آنها یکدیگر را لغو می کنند و فضای خالی باقی می ماند. ملاقات بین دو میعانات چیده شده نامنظم به الگویی از تداخل موج منجر می شود: نوارهای روشن متناوب که دو موج یکدیگر را تقویت می کنند و نوارهای تیره که از بین می روند. ایجاد و مطالعه این مدل ها در ماده را تداخل سنجی اتمی می نامند.

بر روی موشک MAIUS-1 ، یک سیستم لیزر با دقت تنظیم شده ، اتم های فوق سرد را قبل از اجازه برخورد با یکدیگر ، به چندین امواج ماده تقسیم می کند. تصاویری که از داخل موشک گرفته شده و پس از بازگشت فضاپیما به زمین تجزیه و تحلیل شده است ، الگویی دقیق از تداخل راه راه را نشان می دهد که از اختلافات اندک در اشکال و موقعیت های بالاها و فرورفتگی های هر BEC پدیدار می شود. با مطالعه چنین جزئیاتی ، محققان می توانند بفهمند که آیا امواج مادی قبل از تعامل با نور یا نیروی دیگر در محیط آنها تغییر کرده اند یا خیر.

ناتسور گالول ، فیزیکدان دانشگاه لایب نیتس در هانوفر ، آلمان و یکی از نویسندگان این تحقیق ، گفت: “اتم ها به همه اینها حساس هستند.” گالول می گوید ، مدل نواری ایجاد شده در اثر برخورد با BEC ، کمی شبیه کاوش های باستان شناسی است: این دانشمندان به دانشمندان کمک می کند تاریخ دقیق امواج اضطراری ماده را تعیین کرده و هر چیزی را که می تواند قله ها و فرورفتگی آنها را حرکت دهد ، تعیین کنند.

جاذبه جاذبه همه اینها را پیچیده می کند زیرا باعث می شود BEC هنگام حرکت به سمت یکدیگر سقوط کند ، در نتیجه برخورد کوتاه مختصر و الگوهای تداخل فازی از بین می رود. شرایط ریز جاذبه در فضا این محدودیت ها را برطرف می کند.

به گفته مایک دی لاچمن ، فیزیکدان دانشگاه لایب نیتس در هانوفر و نویسنده اصلی این تحقیق ، فرار از جاذبه زمین همیشه انگیزه ای برای تیم وی بوده است. وی به یاد می آورد: “همه ماجرا از همکاری آغاز شد که هدف آن انجام آزمایش در یک مرکز ترک تحصیل بود.” “اما هدف بلند مدت همیشه رفتن به فضا بوده است.” رهاسازی اتمهای بسیار سرد از برج تقریباً 150 متری ارتفاع چند ثانیه ای برای دانشمندان خرید. موشک MAIUS-1 در مدت زمان تقریباً شش دقیقه به این هدف اصابت کرد.

کاس ساکت ، فیزیکدان دانشگاه ویرجینیا که در این مطالعه نقش نداشت ، گفت: “ریز جاذبه دقیقاً همان مکانی است که شما می خواهید باشید.” “من انتظار دارم که با گذشت زمان شاهد تداخل سنج های اتمی در فضا باشیم که بهتر از هر چیزی روی زمین باشد.” در واقع ، در سال 2018 ، ناسا آزمایشی را با یک اتم فوق العاده سرد در فضا آغاز کرد. از آن زمان ، آژانس اتمی سرد (CAL) اتمهای موجود در ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) را خنک کرده است.

توانایی CAL در ایجاد حالت های کوانتومی در ریز جاذبه به طوری که دانشمندان می توانند با بسیاری از فیزیکدانان اسیر شده از جمله ساکت بازی کنند. آنیتا سنگوپتا ، مهندس هوافضا که به عنوان مدیر پروژه CAL در پنج سال اول توسعه خود خدمت می کرد و بخشی از مطالعه جدید نبود ، بیانگر این احساس است. وی گفت: “انگیزه شخصی من در پشت ماموریت ایجاد فضایی برای مطالعه فیزیك بنیادی BEC برای گشودن دریچه جدیدی به دنیای كوانتوم بود.” Sengupta اضافه کرد ، محققان با استفاده از CAL اخیراً آزمایشات تداخل سنجی اتمی مشابه کار تیم MAIUS-1 انجام داده اند.

کاربردهای جالب برای اتم های سرد

صرف نظر از سکوی فضایی خاص مورد استفاده ، هدف تحقیق مشترک برای تداخل سنجی اتمی آزمایش اصل اساسی است که اجسام تمام ترکیبات تحت تأثیر جاذبه با همان سرعت سقوط می کنند. به گفته لاچمن ، انجام آزمایشی برای تداخل در امواج مادی MAIUS-1 به طور مكرر ، با استفاده از دسته های مختلف اتم های ابتدایی ، این ایده را تا دقت بی سابقه ای آزمایش می كند. در صورت بعید است که گرانش مجموعه ای از اتم ها را بیش از مجموعه دیگر حرکت داده باشد ، دو الگوی نوار آنها به طور مشهودی متفاوت خواهد بود.

دقت فوق العاده ای که با تداخل سنجی اتمی ارائه می شود نیز منجر به احتمال کمی می شود که بتوان با استفاده از این روش امضاهای نیروهای عجیب و غریب ، شاید کسانی را که با برخی از مدل های انرژی تاریک مرتبط هستند ، مشاهده کرد.

یک برنامه فوری و عملی برای دستگاههایی مانند تراشه MAIUS-1 ممکن است در ناوبری آسمانی ظاهر شود. از آنجا که مدل های تداخل BEC حتی به کمترین نوسانات گرانش نیز حساس هستند ، می توان از آنها برای نقشه برداری از جزئیات میدان های گرانشی استفاده کرد. مشابه چگونگی کمک نقشه های زیر آب به کشتی ها جهت یابی ، این نقشه های میدان گرانشی می تواند برای تنظیم دقیق مانورهای فضاپیما در اعماق فضا مفید باشد.

در طول مأموریت خود ، تیم MAIUS-1 قبلاً به چندین موفقیت فنی دست یافته است. آزمایش دانشمندان به جای قرارگرفتن روی یک میز بزرگ شبیه به آنچه در اکثر آزمایشگاههای زمینی قرار دارد ، روی یک تراشه جامد قرار گرفت – زیرا این آزمایش باید از پرواز ناهموار موشک در جو زمین زنده بماند. همچنین ، محققان پس از پرتاب موشک قادر به برقراری ارتباط نیستند ، بنابراین سیستم های خودمختار ، اتم ها را خنک ، دستکاری و تصویر می کنند. در آینده ، آنها می خواهند موشک را به سنسورهای ناوبری که اغلب استفاده می شود مجهز کنند و کارایی این سنسورها را با تراشه آنها مقایسه کنند.

در حال حاضر ، دانشمندان ناسا و MAIUS-1 در حال توسعه همکاری با یکدیگر هستند تا بتوانند نصب جدید CAL ها را روی ISS انجام دهند که این امر فرصت های بیشتری را برای آزمایش های میکرو گرانشی ، از جمله استفاده از اتم هایی که دارای چرخش مغناطیسی هستند و یا به شدت برهم کنش دارند ، فراهم می کند. محققان امیدوارند با ترکیب تجربیات خود در تلاش برای مبارزه با اتمها به دور از نیروی جاذبه ، فیزیک بنیادی را زیر ذره بین حتی قدرتمندتر در فضا قرار دهند.


منبع: khabar-nab.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*