Kosmoses levivad aatomid kuulutavad Einsteini samaväärsuse põhimõtte uusi katseid – füüsikamaailm

Vabalt langevate kehade liikumine ei sõltu nende koostisest. See on Einsteini ekvivalentsusprintsiibi (EEP) üks aluseid, mis toetab meie kaasaegset arusaama gravitatsioonist. See põhimõte on aga pideva kontrolli all. Selle mis tahes rikkumised annaksid meile vihjeid tumeenergia ja tumeaine otsimisel, aidates samal ajal ka meie arusaamist mustadest aukudest ja muudest süsteemidest, kus gravitatsioon ja kvantmehaanika kohtuvad.

USA, Prantsusmaa ja Saksamaa teadlased on nüüd loonud uue süsteemi EEP testimiseks: kahe ülikülma kvantgaasi segu, mis tiirleb ümber Maa Rahvusvahelise Kosmosejaama (ISS) pardal. Samuti demonstreerisid nad esimest kaheliigilise aatomi interferomeetrit kosmoses, mida nad kirjeldavad kui "olulist sammu" EEP testimise suunas. Küsimus, millele nad selle katsega vastata soovivad, on lihtne: kas kaks erineva massiga aatomit langevad sama kiirusega?

Külmad aatomid ISS-il

ISS on koduks Külma aatomi labor (CAL), mis on ruumi aatomite mänguväljak. 2018. aastal käivitatud see lõi 2020. aastal esimese kosmoses leviva Bose-Einsteini kondensaadi (BEC) – aine erilise oleku, mis saavutati pärast aatomite jahutamist temperatuurini, mis on veidi üle absoluutse nulli. See esimene kvantgaas koosnes ülikülmadest rubiidiumiaatomitest, kuid pärast 2021. aasta uuendamist on CAL-is ka mikrolaineallikas kaaliumiaatomite kvantgaaside valmistamiseks.

Viimases töös, mida on kirjeldatud aastal loodus, lõid CAL-i teadlased ISS-is mõlema liigi kvantsegu. "Selle kvantsegu genereerimine kosmoses on oluline samm Einsteini samaväärsuse põhimõtte testimiseks mõeldud ülitäpsete mõõtmiste väljatöötamise suunas, " ütleb. Gabriel Müller, Saksamaal Hannoveri Leibnizi ülikooli doktorant, kes osaleb katses.

Selle segu saavutamiseks piiras meeskond rubiidiumi aatomid magnetpüünisesse ja lasi kõige energilisematel "kuumadel" aatomitel lõksust välja aurustuda, jättes "külmad" aatomid maha. See viib lõpuks faasiüleminekuni kvantgaasiks, kui aatomid langevad alla teatud kriitilise temperatuuri.

Kuigi see protsess töötab ka kaaliumiaatomite puhul, ei ole mõlema liigi samaaegne aurustamine samas lõksus lihtne. Kuna rubiidiumi- ja kaaliumiaatomite sisemine energiastruktuur on erinev, on nende algtemperatuurid lõksus erinevad, samuti muutuvad lõksu optimaalsed tingimused ja kriitilise temperatuuri saavutamiseks vajalik aurustumisaeg. Selle tulemusena pidid teadlased pöörduma teistsuguse lahenduse poole. "Kaaliumkvantgaasi ei tekitata aurustusjahutuse teel, vaid pigem jahutatakse "sümpaatiliselt" otsese termilise kokkupuute kaudu aurustunud ülikülma rubiidiumigaasiga, " selgitab Müller.

Ta lisab, et selle kvantgaasi tekitamisel kosmoses on oma eelised. "Maal toimub gravitatsiooniline langus, mis tähendab, et kaks erineva massiga aatomit ei asu lõksus samas kohas. Kosmoses seevastu on gravitatsiooniline vastastikmõju nõrk ja need kaks liiki kattuvad. See mikrogravitatsioonis töötamise aspekt on oluline katsete läbiviimiseks, mille eesmärk on jälgida kahe liigi vahelisi koostoimeid, mille gravitatsiooni mõju Maale muidu kaaperdaks.

Kvantolekutehnoloogia ülioluline roll

Rubiidiumi ja kaaliumi aatomite kvantsegu valmistamine viib CAL-i meeskonna sammu lähemale EEP testimisele, kuid katse teisi elemente tuleb siiski taltsutada. Näiteks kuigi need kaks liiki lõksus kattuvad, on nende algsed asukohad sellest vabastamisel veidi erinevad. Müller selgitab, et see on osaliselt tingitud iga aatomiliigi omadustest, mis põhjustavad erinevat dünaamikat, kuid see on tingitud ka sellest, et lõksu vabanemine ei ole hetkeline, mis tähendab, et üks liikidest kogeb teise suhtes jääkmagnetjõudu. Sellised süstemaatilised mõjud võivad kergesti esineda EEP rikkumisena, kui nende eest korralikult ei hoolitseta.

Sel põhjusel on teadlased pööranud tähelepanu oma lõksu süstemaatika iseloomustamisele ja soovimatu müra vähendamisele. "See on töö, mida Hannoveris aktiivselt tehakse, et luua mõlema liigi jaoks hästi kavandatud sisendolekud, mis on üliolulised, kuna vajate enne interferomeetri käivitamist sarnaseid algtingimusi, " ütleb Müller. Ta lisab, et üks lahendus esialgse asendi probleemile oleks mõlema liigi aeglaselt transportimine ühte asendisse enne magnetlõksu väljalülitamist. Kuigi seda saab teha suure täpsusega, toimub see aatomite kuumutamise ja osade kaotamise arvelt. Seetõttu loodavad teadlased kasutada masinõpet transpordimehhanismi optimeerimiseks ja seeläbi saavutada aatomi dünaamika sarnane kontroll, kuid palju kiiremini.

Kahe liigi aatomi interferomeeter kosmoses

Kui need probleemid on lahendatud, oleks järgmine samm EEP-testi läbiviimine kahe liigi aatomi interferomeetria abil. See hõlmab valgusimpulsside kasutamist, et luua kahe ülikülma aatomipilve koherentne superpositsioon, seejärel need uuesti kombineerida ja lasta neil pärast teatud vaba evolutsiooni aega sekkuda. Häiremuster sisaldab väärtuslikku teavet segu kiirenduse kohta, millest teadlased saavad välja tuua, kas mõlemad liigid kogesid sama gravitatsioonikiirendust.

Selle tehnika piirav tegur on see, kui hästi laserkiire ja aatomiproovi positsioonid kattuvad. "See on kõige keerulisem osa," rõhutab Müller. Üks probleem on see, et ISS-i vibratsioon põhjustab lasersüsteemi vibratsiooni, mis toob süsteemi faasimüra. Teine probleem on see, et mõlema liigi erinev massi- ja aatomienergia taseme struktuur paneb nad reageerima vibratsioonimürale erinevalt, tekitades kahe aatomi interferomeetri vahelise faasi.

Viimases töös demonstreerisid teadlased segu samaaegset aatomiinterferomeetriat ja mõõtsid suhtelist faasi rubiidiumi ja kaaliumiaatomite interferentsi mustri vahel. Kuid nad teavad hästi, et selline etapp on tõenäoliselt tingitud müraallikatest, millega nad tegelevad, mitte aga EPP rikkumisest.

Tulevased missioonid

ISS-i käivitati uus teadusmoodul, mille eesmärk on suurendada aatomite arvu, täiustada laseriallikaid ja rakendada eksperimentaalses järjestuses uusi algoritme. Põhimõtteliselt püüavad CAL-i teadlased siiski näidata inertsiaalset täpsust mõõtmist, mis ületab praegust tehnika taset. "Sellised arusaamad on olulised verstapostid tulevaste satelliitmissioonide suunas, mis testivad vaba langemise universaalsust enneolematule tasemele," ütleb Hannoveri Naceur Gaaloul, hiljutise artikli kaasautor.

Bose-Einsteini kondensaat valmistatakse rahvusvahelise kosmosejaama pardal

Üks näide, mida Gaaloul mainib, on STE-QUEST (Space-Time Explorer ja Quantum Equivalence Principle Space Test) ettepanek, mis oleks tundlik kiirenduse erinevuste suhtes juba 10.^-17 m / s². See täpsus võrdub õuna ja apelsini mahaviskamisega ning ühe sekundi pärast nende asukoha erinevuse mõõtmisega prootoni raadiuses. Kosmos on teatavasti raske, kuid aatomi interferomeetria ruumis on veelgi raskem.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/