Die Forscher planen, Materie bei 100 Pico-Kelvin zu untersuchen. Bei solch niedrigen Temperaturen sind gewöhnliche Konzepte von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen nicht mehr relevant.
Jeder weiß, dass der Raum kalt ist. In der riesigen Kluft zwischen Sternen und Galaxien sinkt die Temperatur der gasförmigen Materie routinemäßig auf 3 Grad K oder 454 Grad unter null Grad Fahrenheit.
Es wird gleich noch kälter.
NASA-Forscher planen, den kältesten Punkt im bekannten Universum zu schaffen Innerhalb die Internationale Raumstation (ISS).
"Wir werden Materie bei Temperaturen untersuchen, die weitaus kälter sind, als es natürlich der Fall ist", sagt Rob Thompson von JPL. Er ist Projektwissenschaftler für das Cold Atom Lab der NASA, ein atomarer Kühlschrank, der 2016 zur ISS gebracht werden soll. "Wir wollen die effektiven Temperaturen auf 100 Pikokelvin senken."
100 Picokelvin sind nur ein Zehnmilliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, bei dem theoretisch die gesamte thermische Aktivität der Atome aufhört. Bei solch niedrigen Temperaturen sind gewöhnliche Konzepte von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen nicht mehr relevant. Atome, die knapp über der Schwelle der Nullenergie interagieren, erzeugen neue Formen von Materie, die im Wesentlichen… Quanten sind.
Die Quantenmechanik ist ein Zweig der Physik, der die bizarren Regeln von Licht und Materie auf atomaren Skalen beschreibt. In diesem Bereich kann sich die Materie an zwei Orten gleichzeitig befinden. Objekte verhalten sich sowohl als Partikel als auch als Wellen. und nichts ist sicher: die quantenwelt läuft mit wahrscheinlichkeit.
In dieses seltsame Reich stürzen sich Forscher, die das Cold Atom Lab nutzen.
"Wir beginnen", sagt Thompson, "mit der Untersuchung von Bose-Einstein-Kondensaten."
1995 stellten Forscher fest, dass sich einige Millionen Rubidiumatome zu einer einzigen Materiewelle verschmelzen, wenn man sie gegen den absoluten Nullpunkt abkühlt. Der Trick funktionierte auch mit Natrium. Im Jahr 2001 teilten sich Eric Cornell vom National Institute of Standards & Technology und Carl Wieman von der University of Colorado den Nobelpreis mit Wolfgang Ketterle vom MIT für ihre unabhängige Entdeckung dieser Kondensate, die Albert Einstein und Satyendra Bose im frühen 20. Jahrhundert vorhergesagt hatten .
Wenn Sie zwei BECs erstellen und zusammenfügen, mischen sie sich nicht wie ein normales Gas. Stattdessen können sie wie Wellen „interferieren“: Dünne, parallele Materieschichten werden durch dünne Schichten leeren Raums getrennt. Ein Atom in einem BEC kann sich zu einem Atom in einem anderen BEC addieren und produzieren - überhaupt kein Atom.
"Das Cold Atom Lab wird es uns ermöglichen, diese Objekte bei vielleicht den niedrigsten Temperaturen aller Zeiten zu untersuchen", sagt Thompson.
Das Labor ist auch ein Ort, an dem Forscher superkühle Atomgase mischen und beobachten können, was passiert. „Gemische verschiedener Arten von Atomen können nahezu störungsfrei zusammenfließen“, erklärt Thompson. „So können wir empfindliche Messungen sehr schwacher Wechselwirkungen durchführen. Dies könnte zur Entdeckung interessanter und neuartiger Quantenphänomene führen. “
Die Raumstation ist der beste Ort für diese Forschung. Die Mikrogravitation ermöglicht es Forschern, Materialien auf Temperaturen abzukühlen, die viel kälter sind als am Boden.
Thompson erklärt, warum:
„Es ist ein Grundprinzip der Thermodynamik, dass ein expandierendes Gas abkühlt. Die meisten von uns haben praktische Erfahrungen damit. Wenn Sie eine Dose Aerosole sprühen, wird die Dose kalt. “
Quantengase werden ähnlich gekühlt. Anstelle einer Aerosoldose haben wir jedoch eine „Magnetfalle“.
„Auf der ISS können diese Fallen sehr schwach gemacht werden, weil sie die Atome nicht gegen die Anziehungskraft der Schwerkraft stützen müssen. Durch schwache Fallen können sich Gase ausdehnen und auf niedrigere Temperaturen abkühlen, als dies am Boden möglich ist. “
Niemand weiß, wohin diese Grundlagenforschung führen wird. Sogar die von Thompson aufgeführten „praktischen“ Anwendungen - Quantensensoren, Materiewelleninterferometer und Atomlaser, um nur einige zu nennen - klingen wie Science-Fiction. "Wir betreten das Unbekannte", sagt er.
Forscher wie Thompson betrachten das Cold Atom Lab als ein Tor in die Quantenwelt. Könnte die Tür in beide Richtungen schwingen? Wenn die Temperatur niedrig genug ist, "können wir Atomwellenpakete so breit wie ein menschliches Haar zusammensetzen - das heißt, groß genug, dass das menschliche Auge es sehen kann." Eine Kreatur der Quantenphysik wird in die makroskopische Welt eingetreten sein.
Und dann beginnt die wahre Aufregung.