اتم‌های فضایی آزمایش‌های جدیدی را برای اصل هم ارزی اینشتین اعلام می‌کنند - دنیای فیزیک

اتم‌های فضایی آزمایش‌های جدیدی را برای اصل هم ارزی اینشتین اعلام می‌کنند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 8 مارس 2024، 4:30 صبح


عکس ایستگاه فضایی بین‌المللی در مدار زمین، با یک سیب در حال سقوط و پرتقال که بالای آن قرار گرفته است.
سقوط آزاد: اصل هم ارزی اینشتین بر این باور است که حرکت اجسام در حال سقوط (چه سیب، چه پرتقال یا هر چیز دیگری) مستقل از ترکیب آنهاست. آزمایشگاه اتم سرد در ایستگاه فضایی بین المللی قصد دارد این اصل را با استفاده از اتم های فوق سرد با جرم های مختلف آزمایش کند. (تقدیم: علی لزیک، اقتباس از تصویر اصلی از Roskosmos/NASA)

حرکت اجسامی که آزادانه در حال سقوط هستند مستقل از ترکیب آنهاست. این یکی از پایه‌های اصل هم ارزی اینشتین (EEP) است، که زیربنای درک مدرن ما از گرانش است. با این حال، این اصل همواره تحت بررسی است. هرگونه تخطی از آن به ما نکاتی را در جستجوی انرژی تاریک و ماده تاریک می دهد، در حالی که درک ما از سیاهچاله ها و سایر سیستم هایی را که در آن گرانش و مکانیک کوانتومی به هم می رسند راهنمایی می کند.

دانشمندان از ایالات متحده، فرانسه و آلمان اکنون سیستم جدیدی برای آزمایش EEP ایجاد کرده اند: مخلوطی از دو گاز کوانتومی فوق سرد که در ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) به دور زمین می چرخد. آنها همچنین اولین تداخل سنج اتمی دو گونه ای را در فضا نشان دادند که آن را "گامی مهم" برای آزمایش EEP توصیف می کنند. سوالی که آنها با این آزمایش قصد پاسخ دادن به آن را دارند ساده است: آیا دو اتم با جرم های مختلف با سرعت یکسان سقوط می کنند؟

اتم های سرد در ایستگاه فضایی بین المللی

ایستگاه فضایی بین المللی محل استقرار آزمایشگاه اتم سرد (CAL)، که یک "زمین بازی" برای اتم ها در فضا است. در سال 2018 به فضا پرتاب شد و در سال 2020 اولین میعانات بوز-اینشتین (BEC) را ایجاد کرد - حالت خاصی از ماده که پس از سرد کردن اتم‌ها تا دمای بالای صفر مطلق به دست می‌آید. این اولین گاز کوانتومی متشکل از اتم های روبیدیم فوق سرد بود، اما پس از ارتقا در سال 2021، CAL همچنین میزبان یک منبع مایکروویو برای ساخت گازهای کوانتومی اتم های پتاسیم است.

در آخرین کار، که شرح آن در طبیعتدانشمندان CAL یک مخلوط کوانتومی از هر دو گونه را در ایستگاه فضایی بین‌المللی تولید کردند. می‌گوید: «تولید این مخلوط کوانتومی در فضا گام مهمی در جهت توسعه اندازه‌گیری‌های با دقت بالا برای آزمایش اصل هم ارزی اینشتین است.» گابریل مولر، دانشجوی دکترا در دانشگاه لایب نیتس در هانوفر آلمان که در این آزمایش شرکت دارد.

برای دستیابی به این مخلوط، این تیم اتم‌های روبیدیم را در یک تله مغناطیسی محبوس کردند و به پرانرژی‌ترین اتم‌های «گرم» اجازه دادند تا از تله تبخیر شوند و اتم‌های «سرد» را پشت سر بگذارند. این در نهایت منجر به انتقال فاز به یک گاز کوانتومی می شود که اتم ها به زیر دمای بحرانی معینی سقوط کنند.

در حالی که این فرآیند برای اتم های پتاسیم نیز کار می کند، تبخیر همزمان هر دو گونه در یک تله ساده نیست. از آنجایی که ساختار انرژی داخلی اتم های روبیدیم و پتاسیم متفاوت است، دمای اولیه آنها در تله متفاوت است و شرایط بهینه تله و زمان تبخیر لازم برای رسیدن به دمای بحرانی نیز متفاوت است. در نتیجه، دانشمندان مجبور شدند به راه حل دیگری روی آورند. مولر توضیح می‌دهد: «گاز کوانتومی پتاسیم از طریق خنک‌سازی تبخیری تولید نمی‌شود، بلکه از طریق تماس مستقیم حرارتی با گاز روبیدیم فوق‌سرد تبخیر شده، «همدلانه» خنک می‌شود.

او می افزاید که تولید این گاز کوانتومی در فضا دارای مزایایی است. روی زمین، یک افت گرانشی وجود دارد، به این معنی که دو اتم با جرم های مختلف در یک موقعیت در تله قرار نخواهند داشت. از سوی دیگر، در فضا، برهمکنش گرانشی ضعیف است و این دو گونه با هم همپوشانی دارند. این جنبه از کار در ریزگرانش برای انجام آزمایش هایی با هدف مشاهده برهمکنش بین دو گونه که در غیر این صورت توسط اثرات گرانش روی زمین ربوده می شوند، ضروری است.

نقش حیاتی مهندسی حالت کوانتومی

تولید مخلوط کوانتومی از اتم‌های روبیدیم و پتاسیم، تیم CAL را یک قدم به آزمایش EEP نزدیک‌تر می‌کند، اما سایر عناصر آزمایش هنوز باید رام شوند. به عنوان مثال، اگرچه این دو گونه در تله همپوشانی دارند، اما زمانی که از آن رها می شوند، موقعیت اولیه آنها کمی متفاوت است. مولر توضیح می‌دهد که این تا حدی به دلیل ویژگی‌های هر گونه اتمی است که منجر به پویایی‌های متفاوت می‌شود، اما همچنین به دلیل آنی نبودن آزاد شدن تله است، به این معنی که یکی از گونه‌ها نیروی مغناطیسی باقی‌مانده را نسبت به دیگری تجربه می‌کند. اگر به درستی از آنها مراقبت نشود، چنین اثرات سیستماتیک به راحتی می تواند خود را به عنوان نقض EEP نشان دهد.

به همین دلیل، دانشمندان توجه خود را به سمت مشخص کردن سیستماتیک تله خود و کاهش صدای ناخواسته معطوف کرده اند. مولر می گوید: «این کاری است که به طور فعال در هانوفر انجام می شود تا حالت های ورودی به خوبی مهندسی شده هر دو گونه ایجاد شود، که بسیار مهم خواهد بود زیرا قبل از شروع تداخل سنج به شرایط اولیه مشابه نیاز دارید». او اضافه می کند که یک راه حل برای مشکل موقعیت اولیه، انتقال آهسته هر دو گونه به یک موقعیت واحد قبل از خاموش کردن تله مغناطیسی است. در حالی که می توان این کار را با دقت بالا انجام داد، اما به قیمت گرم شدن اتم ها و از دست دادن برخی از آنها تمام می شود. بنابراین دانشمندان امیدوارند که از یادگیری ماشینی برای بهینه سازی مکانیسم انتقال و در نتیجه دستیابی به کنترل مشابه دینامیک اتمی، اما بسیار سریعتر، استفاده کنند.

تصویری که شش پرتو لیزر قرمز را نشان می دهد که از داخل یک محفظه با یک تراشه معلق بالای آن عبور می کنند
اتم های خنک کننده در فضا: شماتیکی از آزمایشگاه اتم سرد ناسا (CAL) که آرایش پرتوهای لیزر و تراشه اتم را نشان می دهد. (با احترام: NASA/JPL)

تداخل سنج اتمی دو گونه در فضا

هنگامی که این مشکلات حل شدند، گام بعدی انجام آزمایش EEP با استفاده از تداخل سنجی اتمی دو گونه است. این شامل استفاده از پالس های نور برای ایجاد یک برهم نهی منسجم از دو ابر اتمی فوق سرد، سپس ترکیب مجدد آنها و اجازه دادن به آنها پس از یک زمان تکامل آزاد خاص است. الگوی تداخل حاوی اطلاعات ارزشمندی در مورد شتاب مخلوط است، که دانشمندان می توانند از آن استخراج کنند که آیا هر دو گونه شتاب گرانشی یکسانی را تجربه کرده اند یا خیر.

یک عامل محدود کننده در این تکنیک این است که موقعیت های پرتو لیزر و نمونه اتمی چقدر با هم همپوشانی دارند. مولر تأکید می کند: «این مشکل ترین بخش است. یک مشکل این است که ارتعاشات در ISS باعث می‌شود سیستم لیزری به لرزه درآید و نویز فاز را به سیستم وارد کند. مسئله دیگر این است که ساختار متفاوت جرم و سطح انرژی اتمی هر دو گونه باعث می شود که آنها به طور متفاوتی به نویز ارتعاشی واکنش نشان دهند و باعث کاهش فاز بین دو تداخل سنج اتمی شود.

در آخرین کار، دانشمندان تداخل سنجی اتمی مخلوط را نشان دادند و یک فاز نسبی بین الگوی تداخل روبیدیم و اتم‌های پتاسیم را اندازه‌گیری کردند. با این حال، آنها به خوبی می‌دانند که چنین مرحله‌ای احتمالاً به دلیل منابع صوتی است که در حال مقابله با آن هستند، نه نقض EPP.

ماموریت های آینده

یک ماژول علمی جدید با هدف افزایش تعداد اتم، بهبود منابع لیزر و پیاده‌سازی الگوریتم‌های جدید در توالی آزمایشی به ایستگاه فضایی بین‌المللی راه‌اندازی شد. با این حال، اساساً، دانشمندان CAL در تلاش هستند تا اندازه گیری دقیق اینرسی را فراتر از وضعیت فعلی هنر نشان دهند. هانوفر می‌گوید: «چنین درک نقاط عطف مهمی برای مأموریت‌های ماهواره‌ای آینده است که جهان‌شمول بودن سقوط آزاد را تا سطوح بی‌سابقه‌ای آزمایش می‌کنند. ناسور گالول، یکی از نویسندگان مقاله اخیر.

یکی از نمونه‌هایی که گاالول ذکر می‌کند، پیشنهاد STE-QUEST (کاوشگر فضا-زمان و آزمایش فضایی اصل هم ارزی کوانتومی) است که به تفاوت در شتاب‌های کمتر از 10 حساس است.-17 m / s و2. این دقت برابر است با انداختن یک سیب و یک پرتقال و اندازه گیری اختلاف موقعیت آنها در شعاع یک پروتون پس از یک ثانیه. فضا، معروف، سخت است، اما تداخل سنجی اتمی در فضا حتی سخت تر است.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک