अंतरिक्ष-जनित परमाणु आइंस्टीन के तुल्यता सिद्धांत के नए परीक्षणों की शुरुआत करते हैं - भौतिकी विश्व

स्वतंत्र रूप से गिरने वाले पिंडों की गति उनकी संरचना से स्वतंत्र होती है। यह आइंस्टीन के तुल्यता सिद्धांत (ईईपी) की नींव में से एक है, जो गुरुत्वाकर्षण की हमारी आधुनिक समझ को रेखांकित करता है। हालाँकि, यह सिद्धांत निरंतर जांच के अधीन है। इसका कोई भी उल्लंघन हमें डार्क एनर्जी और डार्क मैटर की खोज में संकेत देगा, साथ ही ब्लैक होल और अन्य प्रणालियों के बारे में हमारी समझ का मार्गदर्शन भी करेगा जहां गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी मिलते हैं।

अमेरिका, फ्रांस और जर्मनी के वैज्ञानिकों ने अब ईईपी के परीक्षण के लिए एक नई प्रणाली बनाई है: दो अल्ट्राकोल्ड क्वांटम गैसों का मिश्रण जो अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस) पर पृथ्वी की परिक्रमा करती है। उन्होंने अंतरिक्ष में पहले दोहरी-प्रजाति परमाणु इंटरफेरोमीटर का भी प्रदर्शन किया, जिसे वे ईईपी के परीक्षण की दिशा में एक "महत्वपूर्ण कदम" के रूप में वर्णित करते हैं। इस प्रयोग से वे जिस प्रश्न का उत्तर देना चाहते हैं वह सरल है: क्या अलग-अलग द्रव्यमान के दो परमाणु एक ही दर से गिरते हैं?

आईएसएस पर ठंडे परमाणु

आईएसएस का घर है शीत परमाणु प्रयोगशाला (सीएएल), जो अंतरिक्ष में परमाणुओं के लिए एक "खेल का मैदान" है। 2018 में लॉन्च किया गया, 2020 में इसने पहला अंतरिक्ष-जनित बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) बनाया - परमाणुओं को पूर्ण शून्य से ठीक ऊपर के तापमान पर ठंडा करने के बाद प्राप्त पदार्थ की एक विशेष स्थिति। इस पहली क्वांटम गैस में अल्ट्राकोल्ड रूबिडियम परमाणु शामिल थे, लेकिन 2021 में अपग्रेड के बाद, सीएएल पोटेशियम परमाणुओं की क्वांटम गैस बनाने के लिए एक माइक्रोवेव स्रोत भी होस्ट करता है।

नवीनतम कार्य में, जिसका वर्णन किया गया है प्रकृति, सीएएल वैज्ञानिकों ने आईएसएस पर दोनों प्रजातियों का एक क्वांटम मिश्रण तैयार किया। "अंतरिक्ष में इस क्वांटम मिश्रण को उत्पन्न करना आइंस्टीन के तुल्यता सिद्धांत के परीक्षण के लिए उच्च परिशुद्धता माप विकसित करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है," कहते हैं गेब्रियल मुलरजर्मनी के हनोवर में लाइबनिज़ विश्वविद्यालय में पीएचडी छात्र, जो प्रयोग में शामिल है।

इस मिश्रण को प्राप्त करने के लिए, टीम ने रूबिडियम परमाणुओं को एक चुंबकीय जाल में सीमित कर दिया और सबसे ऊर्जावान "गर्म" परमाणुओं को जाल से वाष्पित होने दिया, जिससे "ठंडे" परमाणु पीछे रह गए। एक बार जब परमाणु एक निश्चित महत्वपूर्ण तापमान से नीचे गिर जाते हैं तो यह अंततः क्वांटम गैस में एक चरण संक्रमण की ओर ले जाता है।

जबकि यह प्रक्रिया पोटेशियम परमाणुओं के लिए भी काम करती है, एक ही जाल में दोनों प्रजातियों को एक साथ वाष्पित करना सीधा नहीं है। चूँकि रुबिडियम और पोटेशियम परमाणुओं की आंतरिक ऊर्जा संरचना अलग-अलग होती है, जाल में उनका प्रारंभिक तापमान अलग-अलग होता है, और इसी तरह जाल की इष्टतम स्थितियाँ और महत्वपूर्ण तापमान तक पहुँचने के लिए आवश्यक वाष्पीकरण का समय भी अलग-अलग होगा। परिणामस्वरूप, वैज्ञानिकों को एक अलग समाधान की ओर रुख करना पड़ा। मुलर बताते हैं, "पोटेशियम क्वांटम गैस बाष्पीकरणीय शीतलन के माध्यम से उत्पन्न नहीं होती है, बल्कि वाष्पीकृत अल्ट्राकोल्ड रूबिडियम गैस के साथ सीधे थर्मल संपर्क के माध्यम से 'सहानुभूतिपूर्वक' ठंडा की जाती है।"

उन्होंने कहा कि अंतरिक्ष में इस क्वांटम गैस को उत्पन्न करने की अपनी खूबियां हैं। “पृथ्वी पर, एक गुरुत्वाकर्षण शिथिलता है, जिसका अर्थ है कि अलग-अलग द्रव्यमान के दो परमाणु जाल में एक ही स्थिति में नहीं होंगे। दूसरी ओर, अंतरिक्ष में, गुरुत्वाकर्षण संपर्क कमजोर है, और दोनों प्रजातियाँ ओवरलैप हो गई हैं। माइक्रोग्रैविटी में काम करने का यह पहलू दो प्रजातियों के बीच बातचीत का निरीक्षण करने के उद्देश्य से प्रयोग करने के लिए आवश्यक है जो अन्यथा पृथ्वी पर गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव से अपहृत हो जाएंगी।

क्वांटम स्टेट इंजीनियरिंग की महत्वपूर्ण भूमिका

रूबिडियम और पोटेशियम परमाणुओं का एक क्वांटम मिश्रण तैयार करने से सीएएल टीम ईईपी के परीक्षण के एक कदम करीब आ गई है, लेकिन प्रयोग के अन्य तत्वों को अभी भी नियंत्रित करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, हालाँकि दो प्रजातियाँ जाल में ओवरलैप होती हैं, लेकिन जब वे इससे मुक्त होती हैं, तो उनकी प्रारंभिक स्थिति थोड़ी भिन्न होती है। मुलर बताते हैं कि यह आंशिक रूप से प्रत्येक परमाणु प्रजाति के गुणों के कारण अलग-अलग गतिशीलता के कारण होता है, लेकिन यह जाल रिहाई के तात्कालिक नहीं होने के कारण भी है, जिसका अर्थ है कि प्रजातियों में से एक दूसरे के सापेक्ष अवशिष्ट चुंबकीय बल का अनुभव करती है। अगर ठीक से ध्यान न दिया जाए तो ऐसे व्यवस्थित प्रभाव आसानी से खुद को ईईपी के उल्लंघन के रूप में प्रस्तुत कर सकते हैं।

इस कारण से, वैज्ञानिकों ने अपना ध्यान अपने जाल की व्यवस्थितता को चिह्नित करने और अवांछित शोर को कम करने की ओर लगाया है। मुलर कहते हैं, "यह वह काम है जो हनोवर में सक्रिय रूप से किया जा रहा है, ताकि दोनों प्रजातियों की अच्छी तरह से इंजीनियर इनपुट स्थिति बनाई जा सके, जो महत्वपूर्ण होगी क्योंकि इंटरफेरोमीटर शुरू करने से पहले आपको समान प्रारंभिक स्थितियों की आवश्यकता होती है।" उन्होंने आगे कहा, प्रारंभिक स्थिति की समस्या का एक समाधान यह होगा कि चुंबकीय जाल को बंद करने से पहले दोनों प्रजातियों को धीरे-धीरे एक ही स्थिति में ले जाया जाए। हालाँकि यह उच्च परिशुद्धता के साथ किया जा सकता है, यह परमाणुओं को गर्म करने और उनमें से कुछ को खोने की कीमत पर आता है। इसलिए वैज्ञानिक परिवहन तंत्र को अनुकूलित करने के लिए मशीन लर्निंग का उपयोग करने की उम्मीद करते हैं और इस तरह परमाणु गतिशीलता पर समान नियंत्रण प्राप्त कर सकते हैं, लेकिन बहुत तेजी से।

अंतरिक्ष में दोहरी-प्रजाति परमाणु इंटरफेरोमीटर

एक बार इन समस्याओं का समाधान हो जाने के बाद, अगला कदम दोहरी-प्रजाति परमाणु इंटरफेरोमेट्री का उपयोग करके ईईपी परीक्षण करना होगा। इसमें दो अल्ट्राकोल्ड परमाणु बादलों का एक सुसंगत सुपरपोजिशन बनाने के लिए हल्के दालों का उपयोग करना, फिर उन्हें पुनः संयोजित करना और एक निश्चित मुक्त विकास समय के बाद उन्हें हस्तक्षेप करने देना शामिल है। हस्तक्षेप पैटर्न में मिश्रण के त्वरण के बारे में बहुमूल्य जानकारी होती है, जिससे वैज्ञानिक यह पता लगा सकते हैं कि क्या दोनों प्रजातियों ने समान गुरुत्वाकर्षण त्वरण का अनुभव किया है।

इस तकनीक में एक सीमित कारक यह है कि लेजर बीम और परमाणु नमूने की स्थिति कितनी अच्छी तरह ओवरलैप होती है। "यह सबसे पेचीदा हिस्सा है," मुलर जोर देकर कहते हैं। एक समस्या यह है कि आईएसएस पर कंपन के कारण लेजर सिस्टम कंपन करता है, जिससे सिस्टम में चरण शोर शुरू हो जाता है। एक और मुद्दा यह है कि दोनों प्रजातियों के अलग-अलग द्रव्यमान और परमाणु ऊर्जा स्तर की संरचना उन्हें कंपन शोर के प्रति अलग-अलग प्रतिक्रिया करने के लिए प्रेरित करती है, जिससे दो परमाणु इंटरफेरोमीटर के बीच एक डिफेसिंग उत्पन्न होती है।

नवीनतम कार्य में, वैज्ञानिकों ने मिश्रण की एक साथ परमाणु इंटरफेरोमेट्री का प्रदर्शन किया और रुबिडियम और पोटेशियम परमाणुओं के हस्तक्षेप पैटर्न के बीच एक सापेक्ष चरण को मापा। हालाँकि, वे अच्छी तरह से जानते हैं कि ऐसा चरण ईपीपी के उल्लंघन के बजाय उन शोर स्रोतों के कारण होने की संभावना है जिनसे वे निपट रहे हैं।

भविष्य के मिशन

परमाणु संख्या बढ़ाने, लेजर स्रोतों में सुधार करने और प्रयोगात्मक अनुक्रम में नए एल्गोरिदम लागू करने के लक्ष्य के साथ आईएसएस में एक नया विज्ञान मॉड्यूल लॉन्च किया गया था। हालाँकि, मौलिक रूप से, CAL वैज्ञानिक कला की वर्तमान स्थिति से परे जड़त्वीय परिशुद्धता माप को प्रदर्शित करने का प्रयास कर रहे हैं। हनोवर का कहना है, "इस तरह की प्राप्ति भविष्य के उपग्रह मिशनों की दिशा में महत्वपूर्ण मील के पत्थर हैं जो अभूतपूर्व स्तर तक मुक्त गिरावट की सार्वभौमिकता का परीक्षण करते हैं।" नसेउर गालौल, हालिया पेपर के सह-लेखक।

बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर बनाया गया है

गालौल द्वारा उल्लेखित एक उदाहरण एसटीई-क्वेस्ट (स्पेस-टाइम एक्सप्लोरर और क्वांटम इक्विवेलेंस प्रिंसिपल स्पेस टेस्ट) प्रस्ताव है, जो कम से कम 10 के त्वरण में अंतर के प्रति संवेदनशील होगा।^-17 एम / एस². यह सटीकता एक सेब और एक संतरे को गिराने और एक सेकंड के बाद, एक प्रोटॉन की त्रिज्या के भीतर उनकी स्थिति में अंतर को मापने के बराबर है। प्रसिद्ध रूप से, अंतरिक्ष कठिन है, लेकिन अंतरिक्ष में परमाणु इंटरफेरोमेट्री और भी कठिन है।

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/