Η κίνηση των σωμάτων που πέφτουν ελεύθερα είναι ανεξάρτητη από τη σύνθεσή τους. Αυτό είναι ένα από τα θεμέλια της Αρχής της Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν (EEP), η οποία στηρίζει τη σύγχρονη κατανόηση της βαρύτητας. Αυτή η αρχή, ωστόσο, βρίσκεται υπό συνεχή έλεγχο. Οποιεσδήποτε παραβιάσεις του θα μας έδιναν υποδείξεις στην αναζήτησή μας για σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη, ενώ θα καθοδηγούσαν επίσης την κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες και άλλα συστήματα όπου συναντώνται η βαρύτητα και η κβαντική μηχανική.

Επιστήμονες από τις ΗΠΑ, τη Γαλλία και τη Γερμανία δημιούργησαν τώρα ένα νέο σύστημα για τη δοκιμή του EEP: ένα μείγμα δύο υπερψυχρά κβαντικών αερίων που περιφέρεται γύρω από τη Γη στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS). Έδειξαν επίσης το πρώτο συμβολόμετρο ατόμων διπλού είδους στο διάστημα, το οποίο περιγράφουν ως ένα «σημαντικό βήμα» προς τη δοκιμή του EEP. Η ερώτηση που στοχεύουν να απαντήσουν με αυτό το πείραμα είναι απλή: πέφτουν δύο άτομα διαφορετικής μάζας με τον ίδιο ρυθμό;

Ψυχρά άτομα στο ISS

Ο ISS φιλοξενεί το Εργαστήριο Cold Atom (CAL), που είναι μια «παιδική χαρά» για τα άτομα στο διάστημα. Ξεκίνησε το 2018, το 2020 δημιούργησε το πρώτο διαστημικό συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) – μια ειδική κατάσταση της ύλης που επιτυγχάνεται μετά από ψύξη των ατόμων σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αυτό το πρώτο κβαντικό αέριο αποτελούνταν από εξαιρετικά ψυχρά άτομα ρουβιδίου, αλλά μετά από αναβάθμιση το 2021, το CAL φιλοξενεί επίσης μια πηγή μικροκυμάτων για την παραγωγή κβαντικών αερίων ατόμων καλίου.

Στην τελευταία εργασία, η οποία περιγράφεται στο Φύση, οι επιστήμονες του CAL δημιούργησαν ένα κβαντικό μείγμα και των δύο ειδών στον ISS. «Η δημιουργία αυτού του κβαντικού μείγματος στο διάστημα είναι ένα σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη μετρήσεων υψηλής ακρίβειας για τη δοκιμή της αρχής της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν», λέει. Γκάμπριελ Μύλλερ, διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο Leibniz στο Αννόβερο της Γερμανίας που συμμετέχει στο πείραμα.

Για να επιτευχθεί αυτό το μείγμα, η ομάδα περιόρισε τα άτομα ρουβιδίου σε μια μαγνητική παγίδα και επέτρεψε στα πιο ενεργητικά «καυτά» άτομα να εξατμιστούν έξω από την παγίδα, αφήνοντας πίσω τα «ψυχρά» άτομα. Αυτό τελικά οδηγεί σε μια μετάβαση φάσης σε ένα κβαντικό αέριο μόλις τα άτομα πέσουν κάτω από μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία.

Αν και αυτή η διαδικασία λειτουργεί επίσης για άτομα καλίου, η ταυτόχρονη εξάτμιση και των δύο ειδών στην ίδια παγίδα δεν είναι απλή. Καθώς η εσωτερική ενεργειακή δομή των ατόμων ρουβιδίου και καλίου είναι διαφορετική, οι αρχικές θερμοκρασίες τους στην παγίδα ποικίλλουν, και το ίδιο θα ποικίλουν και οι βέλτιστες συνθήκες της παγίδας και ο χρόνος εξάτμισης που απαιτείται για την επίτευξη της κρίσιμης θερμοκρασίας. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες έπρεπε να στραφούν σε μια διαφορετική λύση. «Το κβαντικό αέριο κάλιο δεν παράγεται μέσω εξατμιστικής ψύξης, αλλά μάλλον ψύχεται «συμπαθητικά» μέσω άμεσης θερμικής επαφής με το εξατμιζόμενο υπερψυχρό αέριο ρουβίδιο», εξηγεί ο Müller.

Η παραγωγή αυτού του κβαντικού αερίου στο διάστημα έχει τα πλεονεκτήματά της, προσθέτει. «Στη Γη, υπάρχει μια βαρυτική πτώση, που σημαίνει ότι δύο άτομα διαφορετικής μάζας δεν θα βρίσκονται στην ίδια θέση στην παγίδα. Στο διάστημα, από την άλλη πλευρά, η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι ασθενής και τα δύο είδη αλληλοεπικαλύπτονται». Αυτή η πτυχή της εργασίας στη μικροβαρύτητα είναι απαραίτητη για την εκτέλεση πειραμάτων που στοχεύουν στην παρατήρηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δύο ειδών που διαφορετικά θα καταπλακούνταν από τις επιπτώσεις της βαρύτητας στη Γη.

Ο κρίσιμος ρόλος της μηχανικής κβαντικής κατάστασης

Η παραγωγή ενός κβαντικού μείγματος ατόμων ρουβιδίου και καλίου φέρνει την ομάδα CAL ένα βήμα πιο κοντά στη δοκιμή του EEP, αλλά άλλα στοιχεία του πειράματος πρέπει ακόμα να εξημερωθούν. Για παράδειγμα, αν και τα δύο είδη επικαλύπτονται στην παγίδα, όταν απελευθερώνονται από αυτήν, οι αρχικές τους θέσεις είναι ελαφρώς διαφορετικές. Ο Müller εξηγεί ότι αυτό οφείλεται εν μέρει στις ιδιότητες κάθε είδους ατόμου που οδηγούν σε διαφορετική δυναμική, αλλά οφείλεται επίσης στο ότι η απελευθέρωση της παγίδας δεν είναι στιγμιαία, πράγμα που σημαίνει ότι ένα από τα είδη υφίσταται μια υπολειμματική μαγνητική δύναμη σε σχέση με το άλλο. Τέτοιες συστηματικές επιδράσεις θα μπορούσαν εύκολα να παρουσιαστούν ως παραβίαση της ΕΕΠ εάν δεν ληφθούν κατάλληλα μέτρα.

Για το λόγο αυτό, οι επιστήμονες έχουν στρέψει την προσοχή τους στον χαρακτηρισμό της συστηματικής της παγίδας τους και στη μείωση του ανεπιθύμητου θορύβου. «Πρόκειται για εργασία που γίνεται ενεργά στο Αννόβερο, για τη δημιουργία καλά σχεδιασμένων καταστάσεων εισαγωγής και των δύο ειδών, οι οποίες θα είναι κρίσιμες καθώς χρειάζεστε παρόμοιες αρχικές συνθήκες πριν ξεκινήσετε το συμβολόμετρο», λέει ο Müller. Μια λύση στο πρόβλημα της αρχικής θέσης, προσθέτει, θα ήταν να μεταφερθούν αργά και τα δύο είδη σε μια ενιαία θέση πριν απενεργοποιηθεί η μαγνητική παγίδα. Αν και αυτό μπορεί να γίνει με υψηλή ακρίβεια, έρχεται σε βάρος της θέρμανσης των ατόμων και της απώλειας ορισμένων από αυτά. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν τη μηχανική μάθηση για να βελτιστοποιήσουν τον μηχανισμό μεταφοράς και έτσι να επιτύχουν παρόμοιο έλεγχο της ατομικής δυναμικής, αλλά πολύ πιο γρήγορα.

Συμβολόμετρο ατόμου δύο ειδών στο διάστημα

Μόλις επιλυθούν αυτά τα προβλήματα, το επόμενο βήμα θα ήταν η εκτέλεση μιας δοκιμής EEP χρησιμοποιώντας συμβολομετρία ατόμου δύο ειδών. Αυτό περιλαμβάνει τη χρήση παλμών φωτός για τη δημιουργία μιας συνεκτικής υπέρθεσης των δύο υπερψυχρού ατόμων νέφους, στη συνέχεια τον ανασυνδυασμό τους και την αφήστε τους να παρεμβαίνουν μετά από έναν ορισμένο χρόνο ελεύθερου εξέλιξης. Το σχέδιο παρεμβολής περιέχει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την επιτάχυνση του μείγματος, από τις οποίες οι επιστήμονες μπορούν να εξαγάγουν εάν και τα δύο είδη παρουσίασαν την ίδια βαρυτική επιτάχυνση.

Ένας περιοριστικός παράγοντας σε αυτή την τεχνική είναι το πόσο καλά επικαλύπτονται οι θέσεις της δέσμης λέιζερ και του ατομικού δείγματος. «Αυτό είναι το πιο δύσκολο κομμάτι», τονίζει ο Müller. Ένα πρόβλημα είναι ότι οι δονήσεις στο ISS προκαλούν δόνηση του συστήματος λέιζερ, εισάγοντας θόρυβο φάσης στο σύστημα. Ένα άλλο ζήτημα είναι ότι η διαφορετική δομή του επιπέδου μάζας και ατομικής ενέργειας και των δύο ειδών τα οδηγεί να ανταποκρίνονται διαφορετικά στον δονητικό θόρυβο, προκαλώντας αποφασισμό μεταξύ των δύο συμβολόμετρων ατόμων.

Στην τελευταία εργασία, οι επιστήμονες επέδειξαν ταυτόχρονη συμβολομετρία ατόμων του μείγματος και μέτρησαν μια σχετική φάση μεταξύ του σχεδίου παρεμβολής του ρουβιδίου και των ατόμων καλίου. Ωστόσο, γνωρίζουν καλά ότι μια τέτοια φάση είναι πιθανό να οφείλεται στις πηγές θορύβου που αντιμετωπίζουν και όχι σε παραβίαση του ΕΛΚ.

Μελλοντικές αποστολές

Μια νέα επιστημονική ενότητα ξεκίνησε στο ISS με στόχο την αύξηση του αριθμού ατόμων, τη βελτίωση των πηγών λέιζερ και την εφαρμογή νέων αλγορίθμων στην πειραματική ακολουθία. Βασικά, όμως, οι επιστήμονες του CAL προσπαθούν να επιδείξουν αδρανειακή μέτρηση ακριβείας πέρα ​​από την τρέχουσα κατάσταση της τέχνης. «Τέτοιες συνειδητοποιήσεις αποτελούν σημαντικά ορόσημα προς μελλοντικές δορυφορικές αποστολές που δοκιμάζουν την καθολικότητα της ελεύθερης πτώσης σε πρωτοφανή επίπεδα», λέει ο Hannover's Naceur Gaaloul, συν-συγγραφέας της πρόσφατης εργασίας.

Ένα παράδειγμα που αναφέρει ο Gaaloul είναι η πρόταση STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), η οποία θα ήταν ευαίσθητη σε διαφορές στην επιτάχυνση μόλις 10^-17 m / s². Αυτή η ακρίβεια ισοδυναμεί με το να ρίξεις ένα μήλο και ένα πορτοκάλι και να μετρήσεις, μετά από ένα δευτερόλεπτο, τη διαφορά στη θέση τους στην ακτίνα ενός πρωτονίου. Το διάστημα είναι, ως γνωστόν, σκληρό, αλλά η συμβολομετρία ατόμων στο διάστημα είναι ακόμα πιο δύσκολη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/