Chuyển động của vật rơi tự do không phụ thuộc vào thành phần của chúng. Đây là một trong những nền tảng của Nguyên lý tương đương (EEP) của Einstein, nền tảng cho sự hiểu biết hiện đại của chúng ta về lực hấp dẫn. Tuy nhiên, nguyên tắc này luôn được giám sát chặt chẽ. Bất kỳ vi phạm nào đối với nó sẽ cho chúng ta những gợi ý trong quá trình tìm kiếm năng lượng tối và vật chất tối, đồng thời hướng dẫn sự hiểu biết của chúng ta về lỗ đen và các hệ thống khác nơi lực hấp dẫn và cơ học lượng tử gặp nhau.
Các nhà khoa học từ Mỹ, Pháp và Đức hiện đã tạo ra một hệ thống mới để thử nghiệm EEP: hỗn hợp hai loại khí lượng tử cực lạnh quay quanh Trái đất trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Họ cũng trình diễn giao thoa kế nguyên tử hai loại đầu tiên trong không gian, mà họ mô tả là một “bước quan trọng” hướng tới việc thử nghiệm EEP. Câu hỏi mà họ nhắm đến để trả lời bằng thí nghiệm này rất đơn giản: hai nguyên tử có khối lượng khác nhau có rơi với tốc độ như nhau không?
Nguyên tử lạnh trên ISS
ISS là nhà của Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh (CAL), là “sân chơi” cho các nguyên tử trong không gian. Ra mắt vào năm 2018, vào năm 2020, nó đã tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) đầu tiên trong không gian – một trạng thái đặc biệt của vật chất đạt được sau khi làm lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ ngay trên độ không tuyệt đối. Khí lượng tử đầu tiên này bao gồm các nguyên tử rubidium cực lạnh, nhưng sau khi nâng cấp vào năm 2021, CAL cũng chứa một nguồn vi sóng để tạo ra khí lượng tử của các nguyên tử kali.
Trong tác phẩm mới nhất, được mô tả trong Thiên nhiên, các nhà khoa học CAL đã tạo ra hỗn hợp lượng tử của cả hai loài trên ISS. “Việc tạo ra hỗn hợp lượng tử này trong không gian là một bước quan trọng hướng tới việc phát triển các phép đo có độ chính xác cao nhằm kiểm tra nguyên lý tương đương của Einstein,” cho biết Gabriel Müller, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Leibniz ở Hannover, Đức, người tham gia thí nghiệm.
Để thu được hỗn hợp này, đội nghiên cứu đã nhốt các nguyên tử rubidium trong một bẫy từ và cho phép các nguyên tử “nóng” giàu năng lượng nhất bay hơi ra khỏi bẫy, để lại các nguyên tử “lạnh” ở phía sau. Điều này cuối cùng dẫn đến sự chuyển pha thành khí lượng tử một khi các nguyên tử giảm xuống dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định.
Mặc dù quá trình này cũng có tác dụng đối với các nguyên tử kali, nhưng việc làm bay hơi đồng thời cả hai loại trong cùng một bẫy không hề đơn giản. Vì cấu trúc năng lượng bên trong của các nguyên tử rubidium và kali là khác nhau nên nhiệt độ ban đầu của chúng trong bẫy cũng khác nhau, kéo theo đó là các điều kiện tối ưu của bẫy và thời gian bay hơi cần thiết để đạt đến nhiệt độ tới hạn. Kết quả là các nhà khoa học đã phải chuyển sang một giải pháp khác. Müller giải thích: “Khí lượng tử kali không được tạo ra thông qua quá trình làm mát bay hơi mà được làm lạnh 'một cách đồng cảm' thông qua tiếp xúc nhiệt trực tiếp với khí rubidium cực lạnh bay hơi”.
Ông cho biết thêm, việc tạo ra khí lượng tử này trong không gian có giá trị riêng. “Trên Trái đất, có một độ võng hấp dẫn, nghĩa là hai nguyên tử có khối lượng khác nhau sẽ không ở cùng một vị trí trong bẫy. Mặt khác, trong không gian, tương tác hấp dẫn yếu và hai loài bị chồng chéo lên nhau.” Khía cạnh làm việc trong môi trường vi trọng lực này rất cần thiết để thực hiện các thí nghiệm nhằm quan sát sự tương tác giữa hai loài mà nếu không sẽ bị ảnh hưởng bởi tác động của trọng lực trên Trái đất.
Vai trò quan trọng của kỹ thuật trạng thái lượng tử
Việc tạo ra hỗn hợp lượng tử gồm các nguyên tử rubidium và kali đưa nhóm CAL tiến một bước gần hơn tới việc thử nghiệm EEP, nhưng các yếu tố khác của thí nghiệm vẫn cần phải được chế ngự. Ví dụ, mặc dù hai loài trùng nhau trong bẫy nhưng khi chúng được thả ra khỏi bẫy, vị trí ban đầu của chúng hơi khác nhau một chút. Müller giải thích rằng điều này một phần là do đặc tính của từng loại nguyên tử dẫn đến động lực học khác nhau, nhưng cũng là do bẫy được giải phóng không diễn ra tức thời, nghĩa là một trong các loại nguyên tử chịu một lực từ dư so với loại kia. Những tác động mang tính hệ thống như vậy có thể dễ dàng được coi là vi phạm EEP nếu không được quan tâm đúng mức.
Vì lý do này, các nhà khoa học đã chuyển sự chú ý sang việc mô tả đặc điểm hệ thống của bẫy và giảm tiếng ồn không mong muốn. “Đây là công việc đang được thực hiện tích cực ở Hannover, nhằm tạo ra các trạng thái đầu vào được thiết kế tốt của cả hai loài, điều này sẽ rất quan trọng vì bạn cần những điều kiện ban đầu tương tự trước khi khởi động giao thoa kế,” Müller nói. Ông cho biết thêm, một giải pháp cho vấn đề vị trí ban đầu là vận chuyển từ từ cả hai loài đến một vị trí duy nhất trước khi tắt bẫy từ. Mặc dù điều này có thể được thực hiện với độ chính xác cao nhưng nó phải trả giá bằng việc làm nóng các nguyên tử và làm mất đi một số nguyên tử. Do đó, các nhà khoa học hy vọng có thể sử dụng máy học để tối ưu hóa cơ chế vận chuyển và từ đó đạt được sự kiểm soát tương tự đối với động lực học nguyên tử, nhưng nhanh hơn nhiều.
Giao thoa kế nguyên tử hai loài trong không gian
Khi những vấn đề này được giải quyết, bước tiếp theo sẽ là thực hiện thử nghiệm EEP bằng phép đo giao thoa nguyên tử hai loài. Điều này liên quan đến việc sử dụng các xung ánh sáng để tạo ra sự chồng chất mạch lạc của hai đám mây nguyên tử cực lạnh, sau đó kết hợp lại chúng và để chúng giao thoa sau một thời gian tiến hóa tự do nhất định. Hình ảnh giao thoa chứa thông tin có giá trị về gia tốc của hỗn hợp, từ đó các nhà khoa học có thể rút ra liệu cả hai loài có chịu cùng gia tốc trọng trường hay không.
Một yếu tố hạn chế trong kỹ thuật này là vị trí của chùm tia laser và mẫu nguyên tử trùng nhau đến mức nào. “Đây là phần khó khăn nhất,” Müller nhấn mạnh. Một vấn đề là các dao động trên ISS khiến hệ thống laser rung động, đưa nhiễu pha vào hệ thống. Một vấn đề khác là khối lượng và cấu trúc mức năng lượng nguyên tử khác nhau của cả hai loại khiến chúng phản ứng khác nhau với nhiễu động, tạo ra sự lệch pha giữa hai giao thoa kế nguyên tử.
Trong công trình mới nhất, các nhà khoa học đã chứng minh phương pháp đo giao thoa nguyên tử đồng thời của hỗn hợp và đo pha tương đối giữa kiểu giao thoa của nguyên tử rubidium và kali. Tuy nhiên, họ nhận thức rõ rằng giai đoạn như vậy có thể là do các nguồn tiếng ồn mà họ đang giải quyết chứ không phải do vi phạm EPP.
Nhiệm vụ tương lai
Một mô-đun khoa học mới đã được đưa lên ISS với mục tiêu tăng số lượng nguyên tử, cải thiện nguồn laser và triển khai các thuật toán mới trong chuỗi thử nghiệm. Tuy nhiên, về cơ bản, các nhà khoa học CAL đang cố gắng chứng minh phép đo quán tính có độ chính xác vượt xa công nghệ tiên tiến hiện nay. Hannover cho biết: “Những nhận thức như vậy là những cột mốc quan trọng hướng tới các sứ mệnh vệ tinh trong tương lai nhằm kiểm tra tính phổ biến của sự rơi tự do đến mức chưa từng có”. Naceur Gaaloul, một đồng tác giả của bài báo gần đây.
Ngưng tụ Bose–Einstein được tạo ra trên Trạm vũ trụ quốc tế
Một ví dụ mà Gaaloul đề cập đến là đề xuất STE-QUEST (Thử nghiệm không gian nguyên lý tương đương lượng tử và thám hiểm không gian-thời gian), vốn rất nhạy cảm với sự khác biệt về gia tốc chỉ bằng 10-17 m / s2. Độ chính xác này tương đương với việc thả một quả táo và một quả cam rồi đo, sau một giây, sự khác biệt về vị trí của chúng trong bán kính của một proton. Không gian nổi tiếng là cứng, nhưng giao thoa nguyên tử trong không gian thậm chí còn khó hơn.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/
