אטומים הנישאים בחלל מבשרים מבחנים חדשים של עקרון השקילות של איינשטיין - עולם הפיזיקה

תנועתם של גופים הנופלים בחופשיות אינה תלויה בהרכבם. זהו אחד היסודות של עקרון השוויון של איינשטיין (EEP), המבסס את ההבנה המודרנית שלנו לגבי כוח המשיכה. אולם עיקרון זה נמצא בבדיקה מתמדת. כל הפרה שלו תיתן לנו רמזים בחיפוש שלנו אחר אנרגיה אפלה וחומר אפל, ובמקביל גם תנחה את הבנתנו של חורים שחורים ומערכות אחרות שבהן נפגשים כוח הכבידה ומכניקת הקוונטים.

מדענים מארה"ב, צרפת וגרמניה יצרו כעת מערכת חדשה לבדיקת ה-EEP: תערובת של שני גזים קוונטיים קרים במיוחד המקיפים את כדור הארץ על סיפון תחנת החלל הבינלאומית (ISS). הם גם הדגימו את האינטרפרומטר האטומי הדו-מינים הראשון בחלל, אותו הם מתארים כ"צעד חשוב" לקראת בדיקת ה-EEP. השאלה שעליה הם שואפים לענות בניסוי זה היא פשוטה: האם שני אטומים בעלי מסות שונות נופלים באותו קצב?

אטומים קרים ב-ISS

ה-ISS הוא ביתם של ה- מעבדת קרה אטום (CAL), שהוא "מגרש משחקים" לאטומים בחלל. הושק בשנת 2018, בשנת 2020 הוא יצר את הקונדנסט הראשון של Bose-Einstein הנישא בחלל (BEC) - מצב מיוחד של חומר שהושג לאחר קירור אטומים לטמפרטורות מעט מעל האפס המוחלט. הגז הקוונטי הראשון הזה כלל אטומי רובידיום קרים במיוחד, אך בעקבות שדרוג בשנת 2021, ה-CAL מארח גם מקור מיקרוגל לייצור גזים קוונטיים של אטומי אשלגן.

בעבודה האחרונה, המתוארת ב טבע, המדענים של CAL יצרו תערובת קוונטית של שני המינים ב-ISS. "יצירת התערובת הקוונטית הזו בחלל היא צעד חשוב לקראת פיתוח מדידות דיוק גבוהות לבדיקת עקרון השקילות של איינשטיין", אומר גבריאל מולר, דוקטורנט באוניברסיטת לייבניץ בהאנובר, גרמניה, המעורב בניסוי.

כדי להשיג תערובת זו, הצוות כלא אטומי רובידיום במלכודת מגנטית ואפשר לאטומים ה"חמים" האנרגטיים ביותר להתאדות מתוך המלכודת, ולהשאיר את האטומים ה"קרים" מאחור. זה מוביל בסופו של דבר למעבר פאזה לגז קוונטי ברגע שהאטומים יורדים מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת.

אמנם תהליך זה עובד גם עבור אטומי אשלגן, אולם אידוי בו-זמנית של שני המינים באותה מלכודת אינו פשוט. מכיוון שמבנה האנרגיה הפנימי של אטומי רובידיום ואשלגן שונה, הטמפרטורות הראשוניות שלהם במלכודת משתנות, וכך גם התנאים האופטימליים של המלכודת וזמן האידוי הדרוש כדי להגיע לטמפרטורה הקריטית. כתוצאה מכך, המדענים נאלצו לפנות לפתרון אחר. "הגז הקוונטי של אשלגן אינו נוצר באמצעות קירור אידוי, אלא מקורר באופן 'סימפטי' באמצעות מגע תרמי ישיר עם גז רובידיום אולטרה-קר המתאדה", מסביר מולר.

ליצירת הגז הקוונטי הזה בחלל יש יתרונות, הוא מוסיף. "על כדור הארץ, יש צניחה כבידה, כלומר שני אטומים בעלי מסות שונות לא יהיו באותו מיקום במלכודת. בחלל, לעומת זאת, האינטראקציה הגרביטציונית חלשה, ושני המינים חופפים". היבט זה של עבודה במיקרו-כבידה חיוני לביצוע ניסויים שמטרתם לצפות באינטראקציות בין שני המינים שאחרת היו נחטפים על ידי השפעות הכבידה על כדור הארץ.

התפקיד המכריע של הנדסת המדינה הקוונטית

ייצור תערובת קוונטית של אטומי רובידיום ואשלגן מקרב את צוות CAL צעד נוסף לבדיקת ה-EEP, אך עדיין יש לאלף אלמנטים אחרים של הניסוי. לדוגמה, למרות ששני המינים חופפים במלכודת, כאשר הם משתחררים ממנה, מיקומם ההתחלתי מעט שונה. מולר מסביר שהדבר נובע בחלקו מהתכונות של כל מין אטום המוביל לדינמיקה שונה, אך זה נובע גם מכך ששחרור המלכודת אינו מיידי, כלומר אחד מהמינים חווה כוח מגנטי שיורי ביחס לשני. השפעות שיטתיות כאלה עלולות להופיע בקלות כהפרה של ה-EEP אם לא מטפלים בהם כראוי.

מסיבה זו, המדענים הפנו את תשומת לבם לאפיון השיטתיות של המלכודת שלהם והפחתת רעש לא רצוי. "זו עבודה שנעשית באופן פעיל בהאנובר, כדי ליצור מצבי קלט מהונדסים היטב של שני המינים, שיהיו קריטיים מכיוון שאתה צריך תנאים ראשוניים דומים לפני שאתה מתחיל את האינטרפרומטר", אומר מולר. אחד הפתרונות לבעיית המיקום הראשוני, הוא מוסיף, יהיה להעביר לאט את שני המינים לעמדה אחת לפני כיבוי המלכודת המגנטית. אמנם ניתן לעשות זאת בדיוק רב, אך זה בא על חשבון חימום האטומים ואיבוד חלק מהם. לכן המדענים מקווים להשתמש בלמידת מכונה כדי לייעל את מנגנון ההובלה ובכך להשיג שליטה דומה בדינמיקה האטומית, אך הרבה יותר מהר.

אינטרפרומטר אטומי דו-מינים בחלל

לאחר פתרון בעיות אלו, השלב הבא יהיה ביצוע בדיקת EEP באמצעות התערבות אטומית דו-מינים. זה כרוך בשימוש בפולסי אור כדי ליצור סופרפוזיציה קוהרנטית של שני ענני האטומים הקרים במיוחד, ואז שילובם מחדש ולתת להם להפריע לאחר זמן התפתחות חופשי מסוים. דפוס ההפרעות מכיל מידע רב ערך על תאוצת התערובת, שממנו יכולים המדענים לחלץ האם שני המינים חוו אותה תאוצת כבידה.

גורם מגביל בטכניקה זו הוא עד כמה המיקומים של קרן הלייזר והדגימה האטומית חופפים. "זה החלק הכי מסובך", מדגיש מולר. בעיה אחת היא שהרעידות ב-ISS גורמות למערכת הלייזר לרטוט, ומכניסה רעש פאזה למערכת. בעיה נוספת היא שמבנה המסה ורמת האנרגיה האטומית השונה של שני המינים מוביל אותם להגיב שונה לרעש הרטט, מה שיוצר דה-פאזה בין שני האינטרפרומטרים האטומים.

בעבודה האחרונה, המדענים הדגימו התערבות אטומית סימולטנית של התערובת ומדדו שלב יחסי בין דפוס ההתאבכות של רובידיום ואשלגן. עם זאת, הם מודעים היטב לכך ששלב כזה נובע ככל הנראה ממקורות הרעש בהם הם מתמודדים, ולא מהפרה של ה-EPP.

משימות עתידיות

מודול מדעי חדש הושק ל-ISS במטרה להגדיל את מספר האטומים, לשפר את מקורות הלייזר ולהטמיע אלגוריתמים חדשים ברצף הניסוי. עם זאת, ביסודו של דבר, מדעני CAL שואפים להדגים מדידת דיוק אינרציאלית מעבר לרמת האמנות הנוכחית. "מימושים כאלה הם אבני דרך חשובות לקראת משימות לוויין עתידיות הבודקות את האוניברסליות של נפילה חופשית לרמות חסרות תקדים", אומר האנובר. Naceur Gaaloul, מחבר שותף של המאמר האחרון.

קונדנסט Bose-Einstein מיוצר על סיפון תחנת החלל הבינלאומית

אחת הדוגמאות שגאלול מזכיר היא הצעת STE-QUEST (מבחן חלל-זמן ועקרון שוויון קוונטיים), שתהיה רגישה להבדלים בתאוצה של עד 10^-17 גברת². דיוק זה שווה ערך להפלת תפוח ותפוז ולמדוד, לאחר שנייה אחת, את ההבדל במיקום שלהם עד לרדיוס של פרוטון. החלל הוא, כידוע, קשה, אבל התערבות האטומים בחלל קשה אפילו יותר.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/