• Các nhà nghiên cứu đã tạo ra trạng thái vật chất thứ năm vào năm 1995, trạng thái Ngưng tụ Bose-Einstein (BEC), bằng cách làm lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ trong không gian giữa các vì sao.
• BEC không tồn tại một cách tự nhiên và chỉ tồn tại trong vài giây khi chịu tác dụng của trọng lực.
• Bằng cách tạo ra BEC trong không gian, các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu dạng vật chất này lâu hơn.
• Một nghiên cứu mới cho biết các phi hành gia trên Trạm vũ trụ quốc tế đã giúp các nhà khoa học tạo ra BEC thành công và nhất quán trên quỹ đạo. Điều này có thể hỗ trợ nghiên cứu những bí ẩn xung quanh lực hấp dẫn và sự giãn nở của vũ trụ.
• Truy cập trang chủ của Business Insider để biết thêm câu chuyện.

NASA đã gửi một hộp tia laser có kích thước bằng máy rửa chén lên Trạm vũ trụ quốc tế hai năm trước. Mục tiêu: tạo ra dạng vật chất thứ năm kỳ lạ không có trong tự nhiên – ngưng tụ Bose-Einstein.

Loại vật chất này bao gồm các đám mây gồm vài triệu nguyên tử được làm lạnh bằng tia laser trong chân không, đến nhiệt độ thậm chí thấp hơn trong không gian giữa các vì sao. Ở nhiệt độ cực thấp như vậy, các nguyên tử mất đi tính cá thể và kết tụ lại với nhau. Điều này giúp các nhà nghiên cứu nghiên cứu thế giới lượng tử dễ dàng hơn: một thế giới hạ nguyên tử trong đó mọi thứ đều nhỏ hơn một nguyên tử.

Hộp tia laser, một cách thích hợp, được gọi là Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh. 

Trong khi chất ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) đã được tạo ra trên Trái đất trong 25 năm, lực hấp dẫn khiến chúng khó nghiên cứu; nó kéo chúng xuống đất, khiến chúng biến mất trong tích tắc.

Tuy nhiên, trong không gian, đó lại là một câu chuyện khác. Một nghiên cứu được công bố hôm thứ Năm trên tạp chí Nature báo cáo rằng Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh trên trạm vũ trụ đã tạo ra thành công và nhất quán BEC trong môi trường vi trọng lực. Điều đó mang lại cho các nhà nghiên cứu cơ hội kiểm tra vật chất cực lạnh trong thời gian dài hơn trên Trái đất.

David Aveline, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA, cho biết: “Người ta đã sớm nhận ra rằng trọng lực vi mô sẽ có ích và việc du hành vào vũ trụ sẽ mang lại cho chúng ta rất nhiều lợi thế về mặt thời gian đo lường”. Thương nhân trong cuộc. 

Nhiều thời gian hơn để đo BEC có nghĩa là các phép đo chính xác hơn – và điều đó có thể giúp các nhà nghiên cứu nghiên cứu sóng hấp dẫn và năng lượng tối.

Một phòng thí nghiệm không gian chưa từng có 

Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh bao gồm hai thùng chứa tiêu chuẩn đã được lắp đặt trên Trạm Vũ trụ Quốc tế vào tháng 2018 năm XNUMX. NASA / JPL-Caltech

Kể từ khi ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên được tạo ra vào năm 1995, các nhà nghiên cứu đã tìm cách kéo dài tuổi thọ của vật chất hơn một hoặc hai giây. Một số nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra môi trường vi trọng lực của riêng họ bằng cách ném thiết bị tạo BEC ra khỏi một Tháp cao 440 feet để đạt được sự rơi tự do. Một số thí nghiệm không trọng lượng cũng đã được thực hiện bên trong tên lửa.

Aveline nói: “Việc thực hiện chỉ một vài phép đo sẽ tốn rất nhiều công sức.

Ngược lại, Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh (CAL) có vi trọng lực vô tận nên có thể thu thập dữ liệu trong nhiều năm. 

Aveline cho biết: “Chúng tôi đang tạo ra BEC hàng ngày, trong nhiều giờ mỗi ngày”. “CAL được điều khiển hoàn toàn từ xa. Chúng tôi đang chạy nó từ các máy tính trên mặt đất, theo đúng nghĩa đen là bên trong phòng khách của chúng tôi.”

Phi hành gia NASA và Kỹ sư bay của Đoàn thám hiểm 61 Christina Koch làm việc tại Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh, hoán đổi và làm sạch phần cứng bên trong thiết bị nghiên cứu lượng tử. NASA

Aveline cho biết ban đầu, mục tiêu của NASA là có chức năng CAL trong một năm trước khi cần các bộ phận thay thế. Nhưng nhờ có các phi hành gia như Christina Koch, người đã kiểm tra nó và thỉnh thoảng cập nhật phần cứng của nó, phòng thí nghiệm nổi vừa vượt qua mốc hai năm hoạt động trong không gian.

Ngưng tụ Bose-Einstein dạy chúng ta về thế giới lượng tử

CAL sử dụng tia laser và nam châm để làm lạnh các nguyên tử trong khoảng 1 phần 10 tỷ độ trên độ không tuyệt đối (âm 459.67 độ F, hoặc âm 273.15 độ C). 

Thông thường, các nguyên tử được sắp xếp theo một thứ tự cụ thể để tạo ra các vật chất như chất rắn, chất lỏng và chất khí. Nhưng Albert Einstein và nhà vật lý Satyendra Nath Bose đã dự đoán trong 1924 rằng nếu các nguyên tử có thể được làm lạnh đủ mức, chúng sẽ mất đi tính cá thể. Điều đó sẽ khiến chúng tạo thành một khối có đường kính khoảng 1 mm và hoạt động như một thực thể. Đây là BEC, đôi khi được gọi là chất siêu lỏng.

Nhà vật lý và toán học Albert Einstein, 1944. Popperfoto qua Getty Images

Lý do các nhà khoa học quan tâm đến BEC là vì chúng thu hẹp khoảng cách giữa thế giới mà chúng ta có thể nhìn thấy – vốn bị chi phối bởi vật lý cổ điển – và thế giới hạ nguyên tử, trong đó vật lý lượng tử ngự trị.

Aveline nói: “Chúng giống như chén thánh” của vật lý lượng tử.

Vật lý lượng tử mô tả hành vi của những vật nhỏ nhất trong vũ trụ. Theo định luật của nó, những hạt nhỏ như electron có thể ở nhiều nơi cùng một lúc. Vì vậy, các nhà vật lý mô tả những electron đó bằng cách sử dụng các xác suất cho thấy khả năng electron đó được định vị theo một cấu hình nhất định tại một thời điểm nhất định.  

Các nguyên tử trong BEC tuân theo các định luật lượng tử, nhưng vì chúng kết hợp với nhau nên chúng đủ lớn để có thể quan sát được bằng kính hiển vi - điều này cho phép các nhà khoa học đo lường và quan sát hành vi của chúng.

Biểu đồ này cho thấy mật độ thay đổi của một đám mây nguyên tử khi nó được làm lạnh đến nhiệt độ ngày càng thấp hơn (đi từ trái sang phải) gần đến độ không tuyệt đối. Sự xuất hiện của một đỉnh nhọn trong các biểu đồ sau này xác nhận sự hình thành ngưng tụ Bose-Einstein. NASA / JPL-Caltech

Những thí nghiệm của CAL có thể dạy chúng ta điều gì 

Một phần cứng mới mà Koch đã cài đặt vào CAL là giao thoa kế nguyên tử, một công cụ sử dụng BEC để đo sự thay đổi trọng lực trên bề mặt hành tinh.

“Việc phân tích trường hấp dẫn của hành tinh chúng ta có thể cho chúng ta biết nhiều điều về cấu trúc của nó (nước, đá hay dầu ở bên dưới?), và phân tích sự biến đổi của nó có thể dạy chúng ta về các quá trình đang diễn ra (mực nước của đại dương dâng lên bao nhiêu? ),” Maike Lachmann, một nhà vật lý tại Đại học Leibniz, nói với Business Insider qua email.

Theo Lachmann và Aveline, các ứng dụng của loại phép đo này là rất lớn - nó có thể giúp các nhà khoa học hiểu được những gì đang xảy ra dưới bề mặt Trái đất cũng như lập bản đồ các mặt trăng và các hành tinh khác.

Bề mặt mặt trăng nhìn từ tàu vũ trụ Apollo 13. NASA thông qua Dự án Lưu trữ Apollo / Flickr

Ngoài ra, các nhà vật lý đang xem xét sử dụng phép đo giao thoa nguyên tử để đo sóng hấp dẫn hoặc các nguồn năng lượng tiềm năng khác trong vũ trụ, như năng lượng tối.

Năng lượng tối là lực làm cho không gian giãn nở; nó chiếm 70% vũ trụ. (Phần còn lại là 25% vật chất tối - một hạt không nhìn thấy được, tỏa ra lực hấp dẫn lớn - và 5% vật chất thông thường, tạo nên mọi thứ chúng ta nhìn thấy.)

Một số nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng năng lượng tối và vật chất tối có nguồn gốc từ các hạt chưa được nhìn thấy gọi là axion và soliton. MỘT nghiên cứu tháng trước đã đề xuất rằng BEC có thể được sử dụng để phát hiện các trục đó.

Nền tảng khác nghiên cứu từ 2015 và 2016 đã sử dụng BEC để thăm dò các nguồn năng lượng tối khác nhau.

Việc đo năng lượng tối là rất quan trọng, vì các nhà khoa học cho rằng nó có thể là nguyên nhân đẩy nhanh quá trình giãn nở của vũ trụ – đẩy các thiên hà ra xa nhau với tốc độ ngày càng nhanh hơn.

Một nghiên cứu công bố năm ngoái cho thấy vũ trụ đang giãn nở Nhanh hơn 9% so với các nhà khoa học dự đoán nó phải như vậy - một phát hiện một người đoạt giải Nobel đã nói “có thể là sự phát triển thú vị nhất trong vũ trụ học trong nhiều thập kỷ.”

David Mosher đã đóng góp báo cáo cho câu chuyện này.

Nguồn: https://www.businessinsider.com/nasa-astronauts-space-station-bizarre-form-of-matter-2020-6