[Перевод] На борту МКС создали ультрахолодное вещество

Знайте: на МКС начинаются самые потрясающие из космических экспериментов.

Установка холодных атомов NASA (Cold Atom Laboratory, CAL), установленная на борту станции ещё в мае, произвела взвесь ультрахолодных атомов, также известных как конденсат Бозе-Эйнштейна (Bose-Einstein condensates, BEC). ВЕС находится при температуре на доли градуса выше абсолютного нуля, точки, при достижении которой — теоретически — в любом веществе прекращается тепловое движение частиц. Раньше подобные опыты проводились только на Земле.

На борту МКС установка холодных атомов NASA будет генерировать ультрахолодные атомы для проведения экспериментов в области квантовой физики при условиях микрогравитации. Атомы охлаждены до одной десятимиллиардной доли градуса выше абсолютного нуля (в среднем это в десять миллиардов раз холоднее, чем в глубоком космосе). Физики полагают, что наблюдение странного поведения частиц при столь низких температурах даст ответы на вопросы о фундаментальной структуре материи.

CAL — многопользовательская установка, предназначенная для изучения базовых основ окружающего мира с помощью ультрахолодных атомов, в условиях микрогравитации. «Холодные» атомы — это долгоживущие (по квантовым меркам) частицы, которыми можно управлять с высокой точностью; таким образом, они идеальны для рассмотрения квантовых феноменов и потенциального применения квантовых технологий.
На орбите такой прибор размещают впервые; ожидается, что он станет мощным инструментом для сверхточных измерений гравитационного поля, исследований давних проблем квантовой физики и постижения волновой природы материи.

Серия графов демонстрирует изменение плотности атомной взвеси при снижении температуры (слева направо) вплоть до приближения к абсолютному нулю. Появление резкого пика на последних этапах есть свидетельство формирования конденсата Бозе-Эйнштейна — пятого состояния материи — который появляется при температурах около 130 нанокельвинов. Источник: NASA/JPL-Caltech

«Возможность поставить эксперимент с BEC на борту МКС — это мечта, наконец ставшая явью», — говорит Роберт Томпсон, ведущий специалист проекта CAL и физик лаборатории реактивного движения NASA (Jet Propulsion Laboratory, JPL) в Пасадине, Калифорния — «Ради этого момента мы прошли долгий и тяжёлый путь, но все вложенные усилия окупятся стократно, поскольку данная установка открывает перед нами широчайшее поле для опытов».

На прошлой неделе учёные, работающие с CAL, подтвердили получение конденсата из атомов рубидия, с температурой около 100 нанокельвинов; это холоднее, чем средняя температура в космосе (около трёх кельвинов, или -270 градусов Цельсия). Впрочем, это не предел — далее ожидается получить ещё более низкие температуры, даже в сравнении с теми, которых достигли в земных лабораториях.

При таких температурах атомы начинают вести себя иначе, чем в какое-либо другом известном и наблюдавшемся нами веществе. BEC называют «пятым состоянием материи», обосабливая тем самым его от твердого, жидкого, газообразного и плазмы; поскольку атомы конденсата ведут себя больше как волны, нежели как частицы. Волновую природу материи можно наблюдать только в явлениях сверхмалого масштаба, однако BEC делает их заметней — и поэтому анализировать их легче. Ультрахолодные атомы находятся в состоянии с минимальной энергией и принимают одно и то же волновое состояние, становясь неотличимыми друг от друга; атомное облако начинает вести себя целиком как некий одиночный «суператом».

Непростая штуковина

CAL состоит из двух стандартизированных блоков, которые установят на борту МКС. Большой блок в шутку зовут «четырёхкамерным холодильником», а малый — «однокамерным»; в большом и содержится вся начинка, которая производит ультрахолодные атомы. Источник: NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn

«Это чертовски сложный инструмент», — объясняет Роберт Шотвелл, главный инженер отдела физики и астрономии JPL, который курировал всю работу над установкой с февраля 2017 года — «Обычно такие фокусы требуют груду оборудования с комнату размером, да ещё и постоянный непосредственный присмотр нужен, а мы создали устройство не крупнее переносного холодильника и можем управлять им с Земли. Нам пришлось сломать немало барьеров и приложить изрядно усилий для того, чтобы эта головоломная штука в итоге оказалась сегодня на космической станции».

Первый конденсат Бозе-Эйнтштейна получили ещё в 1995 году, хотя сам феномен был предсказан физиками Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном за 71 год до этого. В 2001 году Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганк Кеттерле разделили Нобелевскую премию в области физики за создание и изучение характеристик ВЕС в лаборатории; в последующий год уже пять научных групп, в том числе и возглавляемых Корнеллом и Кеттерле, будут вести опыты с холодными атомами. С середины девяностых учёные всего мира произвели сотни таких экспериментов; большую часть из них на Земле, но несколько и в коротких космических полётах — на борту геофизических ракет. И наконец, наука получила способ осуществлять каждодневные эксперименты с конденсатом в течение длительного периода времени на борту МКС.

BEC производится в нематериальных «атомных ловушках», создаваемых магнитными полями или лазерами. В земном поле тяготения при выключении ловушки ультрахолодные атомы почти сразу разбрасывает притяжением, поэтому наблюдать их возможно лишь доли секунды. Однако в условиях микрогравитации взвесь существует от пяти до десяти секунд; суммарно за день у учёных набирается до шести часов наблюдений.
Как только внутри ловушки падает давление, то закономерным образом снижается температура; чем дольше облако атомов остаётся в ловушке, тем холоднее становится. Тем, кто работал с баллончиком с краской, это явление знакомо — баллончик охлаждается как раз из-за падения давления. В микрогравитации давление конденсата падает до сверхмалых величин, снижая в свою очередь температуру до значений, недостижимых земными инструментами. День за днём, установка трудится без какого-либо вмешательства со стороны экипажа станции.

Именно здесь зарождается внутри CAL конденсат Бозе-Эйнштейна. Источник: NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn

После получения BEC из рубидия команда исследователей собирается использовать атомы двух разных изотопов калия. По сути, сейчас на CAL ведутся пуско-наладочные работы, поэтому предстоит длинная серия тестов с целью выяснить, насколько всё-таки устройство хорошо работает в условиях микрогравитации.

«Учёные со всего мира ждут не дождутся разрешения поработать на нашей установке», — рассказывает Камаль Одрихири, руководитель миссии CAL в JPL — «И поскольку запланирован огромный объём самых разнообразных опытов, нам придётся адаптировать к микрогравитации кучу способов охлаждения атомов и манипулирования ими, прежде чем мы отдадим этот прибор в руки узких специалистов для серьёзной работы». Этап научных исследований по графику стартует в начале сентября текущего года и продлится не менее трёх лет.

Специалисты команды атомной физики CAL и учёные JPL Дэвид Авелин, Итан Элиотт и Джейсон Уильямс (слева направо); фотография сделана в Центре управления орбитальными миссиями (Earth Orbiting Missions Operation Center) в JPL, откуда будет дистанционно управляться и настраиваться CAL. Изображение на экране на заднем плане демонстрирует установку непосредственно на борту МКС. Труд Авелина, Элиотта и Уильямса сыграл определяющую роль в получении первого в мире конденсата Бозе-Эйнтштейна на орбите. Источник: NASA/JPL-Caltech

Установка холодных атомов отправилась в космос 21 мая 2018 года с орбитальным кораблём Cygnus с космодрома Уоллопс, Вирджиния. CAL разработали и построили в JPL, а финансирование проекта разделено между Программой Международной космической станции в Космическом центре имени Линдона Джонсона, Хьюстон, и Отделом прикладных естественных наук и исследования жизни в космосе (Space Life and Physical Sciences Research and Applications, SLPSRA) директората освоения космоса и оперативного управлениям миссиями NASA, в штаб-квартире NASA, Вашингтон.

Для получения дополнительной информации вы можете посетить сайт проекта.