Mặc dù có nhiều thập kỷ nghiên cứu liên tục, các nhà khoa học đang cố gắng hiểu làm thế nào bốn lực lượng cơ bản của Vũ trụ khớp với nhau. Trong khi cơ học lượng tử có thể giải thích cách ba trong số các lực này phối hợp với nhau trên quy mô nhỏ nhất (lực điện từ, lực hạt nhân yếu và mạnh), Thuyết tương đối rộng giải thích cách mọi vật hoạt động trên quy mô lớn nhất (nghĩa là trọng lực). Về mặt này, trọng lực vẫn là giữ vững.
Để hiểu làm thế nào lực hấp dẫn tương tác với vật chất trên quy mô nhỏ nhất, các nhà khoa học đã phát triển một số thí nghiệm thực sự tiên tiến. Một trong số đó là Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh của NASA (CAL), nằm trên tàu ISS, gần đây đã đạt được một cột mốc bằng cách tạo ra các đám mây nguyên tử được gọi là ngưng tụ Bose-Einstein (BEC). Đây là lần đầu tiên BEC được tạo ra trên quỹ đạo và mang đến những cơ hội mới để thăm dò các định luật vật lý.
Ban đầu được dự đoán bởi Satyendra Nath Bose và Albert Einstein 71 năm trước, BEC về cơ bản là các nguyên tử cực trị đạt tới nhiệt độ trên 0 độ tuyệt đối, điểm mà các nguyên tử sẽ ngừng di chuyển hoàn toàn (theo lý thuyết). Những hạt này tồn tại lâu dài và được kiểm soát chính xác, khiến chúng trở thành nền tảng lý tưởng để nghiên cứu các hiện tượng lượng tử.
Đây là mục đích của cơ sở CAL, nhằm nghiên cứu các loại khí lượng tử cực lớn trong môi trường vi trọng lực. Phòng thí nghiệm đã được cài đặt trong Phòng thí nghiệm Khoa học Hoa Kỳ trên tàu ISS vào cuối tháng 5 và là phòng thí nghiệm đầu tiên thuộc loại này trong không gian. Nó được thiết kế để thúc đẩy các nhà khoa học có khả năng thực hiện các phép đo chính xác về trọng lực và nghiên cứu cách nó tương tác với vật chất ở quy mô nhỏ nhất.
Như Robert Thompson, nhà khoa học dự án CAL và là nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực của NASA, đã giải thích trong một thông cáo báo chí gần đây:
Có một thí nghiệm BEC hoạt động trên trạm vũ trụ là một giấc mơ thành hiện thực. Đó là một con đường dài và khó khăn để đến đây, nhưng hoàn toàn xứng đáng để đấu tranh, bởi vì có rất nhiều thứ mà chúng tôi sẽ có thể làm với cơ sở này.
Khoảng hai tuần trước, các nhà khoa học của CAL đã xác nhận rằng cơ sở này đã sản xuất BEC từ các nguyên tử rubidium - một nguyên tố kim loại mềm, màu trắng bạc trong nhóm kiềm. Theo báo cáo của họ, họ đã đạt đến nhiệt độ thấp tới 100 nanoKelvin, một phần mười triệu của một Kelvin trên độ không tuyệt đối (-273 ° C; -459 ° F). Nhiệt độ này lạnh hơn khoảng 3 K (-270 ° C; -454 ° F) so với nhiệt độ trung bình của không gian.
Do hành vi độc đáo của chúng, BEC được đặc trưng như một trạng thái vật chất thứ năm, khác biệt với chất khí, chất lỏng, chất rắn và plasma. Trong BEC, các nguyên tử hoạt động giống như sóng hơn các hạt ở quy mô vĩ mô, trong khi hành vi này thường chỉ có thể quan sát được ở quy mô hiển vi. Ngoài ra, các nguyên tử đều đảm nhận trạng thái năng lượng thấp nhất của chúng và mang cùng một bản sắc sóng, khiến chúng không thể phân biệt được với nhau.
Nói tóm lại, các đám mây nguyên tử bắt đầu hoạt động giống như một siêu nguyên tử duy nhất, chứ không phải là các nguyên tử riêng lẻ, khiến chúng dễ nghiên cứu hơn. Những chiếc BEC đầu tiên được sản xuất trong phòng thí nghiệm vào năm 1995 bởi một nhóm khoa học bao gồm Eric Cornell, Carl Wieman và Wolfgang Ketterle, người đã chia sẻ giải thưởng Nobel Vật lý năm 2001 cho thành tựu của họ. Kể từ thời điểm đó, hàng trăm thí nghiệm BEC đã được tiến hành trên Trái đất và một số thậm chí đã được gửi vào vũ trụ trên các tên lửa.
Nhưng cơ sở của CAL là duy nhất ở chỗ đây là cơ sở đầu tiên thuộc loại này trên ISS, nơi các nhà khoa học có thể tiến hành các nghiên cứu hàng ngày trong thời gian dài. Cơ sở này bao gồm hai container được tiêu chuẩn hóa, bao gồm tủ khóa quad quad lớn hơn và bộ khóa đơn lẻ nhỏ hơn. Tủ khóa quad chứa gói vật lý CAL, một ngăn chứa CAL sẽ tạo ra các đám mây nguyên tử cực lạnh.
Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng từ trường hoặc laser tập trung để tạo ra các vật chứa không ma sát được gọi là bẫy nguyên tử của Hồi giáo. Khi đám mây nguyên tử giải nén bên trong bẫy nguyên tử, nhiệt độ của nó tự nhiên giảm xuống, càng lạnh thì càng tồn tại lâu trong bẫy. Trên trái đất, khi các bẫy này bị tắt, lực hấp dẫn khiến các nguyên tử bắt đầu di chuyển trở lại, điều đó có nghĩa là chúng chỉ có thể được nghiên cứu cho các phân số của một giây.
Trên ISS, một môi trường vi trọng lực, BEC có thể giải nén nhiệt độ lạnh hơn bất kỳ thiết bị nào trên Trái đất và các nhà khoa học có thể quan sát các BEC riêng lẻ trong năm đến mười giây một lần và lặp lại các phép đo này trong tối đa sáu giờ mỗi ngày. Và do cơ sở được điều khiển từ xa từ Trung tâm điều hành nhiệm vụ quỹ đạo trái đất tại JPL, các hoạt động hàng ngày không cần sự can thiệp của các phi hành gia trên tàu.
Robert Shotwell, kỹ sư trưởng của ban thiên văn học và vật lý học JPL, đã giám sát dự án từ tháng 2 năm 2017. Như ông đã chỉ ra trong một thông cáo báo chí gần đây của NASA:
MẠNH CAL là một nhạc cụ cực kỳ phức tạp. Thông thường, các thí nghiệm BEC liên quan đến đủ thiết bị để lấp đầy một căn phòng và cần có sự giám sát gần như liên tục của các nhà khoa học, trong khi CAL có kích thước bằng một chiếc tủ lạnh nhỏ và có thể được vận hành từ xa Trái đất. Đó là một cuộc đấu tranh và đòi hỏi nỗ lực đáng kể để vượt qua tất cả các rào cản cần thiết để sản xuất cơ sở tinh vi mà điều hành hoạt động trên trạm vũ trụ ngày nay.
Nhìn về phía trước, các nhà khoa học của CAL muốn tiến xa hơn nữa và đạt được nhiệt độ thấp hơn bất cứ thứ gì đạt được trên Trái đất. Ngoài rubidium, nhóm CAL cũng đang nghiên cứu chế tạo BECS bằng cách sử dụng hai đồng vị nguyên tử kali khác nhau. Hiện tại, CAL vẫn đang trong giai đoạn vận hành, bao gồm nhóm vận hành thực hiện một loạt các thử nghiệm dài để xem cơ sở của CAL sẽ hoạt động như thế nào trong vi trọng lực.
Tuy nhiên, một khi nó hoạt động, năm nhóm khoa học - bao gồm các nhóm do Cornell và Ketterle lãnh đạo - sẽ tiến hành thí nghiệm tại cơ sở trong năm đầu tiên. Giai đoạn khoa học dự kiến sẽ bắt đầu vào đầu tháng 9 và sẽ kéo dài ba năm. Như Kamal Oudrhiri, người quản lý nhiệm vụ của JPL, cho CAL, nói:
Có một đội ngũ các nhà khoa học trên toàn cầu sẵn sàng và hào hứng sử dụng thiết bị này. Phạm vi thí nghiệm đa dạng mà họ dự định thực hiện có nghĩa là có nhiều kỹ thuật để điều khiển và làm mát các nguyên tử mà chúng ta cần để thích ứng với vi trọng lực, trước khi chúng tôi chuyển công cụ cho các nhà điều tra chính để bắt đầu các hoạt động khoa học.
Theo thời gian, Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh (CAL) có thể giúp các nhà khoa học hiểu được lực hấp dẫn hoạt động như thế nào trên quy mô nhỏ nhất. Kết hợp với các thí nghiệm năng lượng cao được thực hiện bởi CERN và các phòng thí nghiệm vật lý hạt khác trên khắp thế giới, điều này cuối cùng có thể dẫn đến Lý thuyết về mọi thứ (ToE) và hiểu biết hoàn toàn về cách thức hoạt động của Vũ trụ.
Và hãy chắc chắn xem video tuyệt vời này (không chơi chữ!) Của cơ sở CAL, theo lịch sự của NASA:
