Atomy unoszące się w przestrzeni kosmicznej zwiastują nowe testy zasady równoważności Einsteina – Świat Fizyki

Ruch swobodnie spadających ciał jest niezależny od ich składu. Jest to jeden z fundamentów zasady równoważności Einsteina (EEP), która leży u podstaw naszego współczesnego rozumienia grawitacji. Zasada ta jest jednak poddawana ciągłej kontroli. Wszelkie naruszenia tej zasady dostarczyłyby nam wskazówek w poszukiwaniu ciemnej energii i ciemnej materii, a jednocześnie pomogłyby w zrozumieniu czarnych dziur i innych układów, w których spotykają się grawitacja i mechanika kwantowa.

Naukowcy z USA, Francji i Niemiec stworzyli teraz nowy system do testowania EEP: mieszaniny dwóch ultrazimnych gazów kwantowych krążących wokół Ziemi na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Zademonstrowali także pierwszy w przestrzeni kosmicznej dwugatunkowy interferometr atomowy, który opisują jako „ważny krok” w stronę testowania EEP. Pytanie, na które chcą odpowiedzieć w tym eksperymencie, jest proste: czy dwa atomy o różnych masach spadają z tą samą szybkością?

Zimne atomy na ISS

ISS jest domem dla Laboratorium zimnego atomu (CAL), który jest „placem zabaw” dla atomów w kosmosie. Wystrzelony w 2018 r., w 2020 r. wytworzył pierwszy kosmiczny kondensat Bosego-Einsteina (BEC) – specjalny stan materii uzyskiwany po schłodzeniu atomów do temperatur nieco powyżej zera absolutnego. Ten pierwszy gaz kwantowy składał się z ultrazimnych atomów rubidu, ale po modernizacji w 2021 r. w CAL znajduje się również źródło mikrofalowe do wytwarzania gazów kwantowych z atomów potasu.

W najnowszej pracy, która jest opisana w Naturanaukowcy z CAL wygenerowali na ISS mieszaninę kwantową obu gatunków. „Wygenerowanie tej mieszaniny kwantowej w przestrzeni kosmicznej to ważny krok w kierunku opracowania wysoce precyzyjnych pomiarów w celu sprawdzenia zasady równoważności Einsteina” – mówi Gabriela Müllera, doktorantka na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze w Niemczech, która bierze udział w eksperymencie.

Aby uzyskać tę mieszaninę, zespół zamknął atomy rubidu w pułapce magnetycznej i pozwolił, aby najbardziej energetyczne „gorące” atomy wyparowały z pułapki, pozostawiając „zimne” atomy. Ostatecznie prowadzi to do przejścia fazowego w gaz kwantowy, gdy atomy spadną poniżej określonej temperatury krytycznej.

Chociaż proces ten działa również w przypadku atomów potasu, jednoczesne odparowanie obu substancji w tej samej pułapce nie jest proste. Ponieważ wewnętrzna struktura energetyczna atomów rubidu i potasu jest inna, ich początkowe temperatury w pułapce będą się różnić, podobnie jak optymalne warunki pułapki i czas parowania potrzebny do osiągnięcia temperatury krytycznej. W rezultacie naukowcy musieli sięgnąć po inne rozwiązanie. „Gaz kwantowy potasu nie jest wytwarzany poprzez chłodzenie wyparne, ale raczej jest chłodzony „współczująco” poprzez bezpośredni kontakt termiczny z odparowanym ultrazimnym gazem rubidowym” – wyjaśnia Müller.

Wytwarzanie tego gazu kwantowego w przestrzeni kosmicznej ma swoje zalety – dodaje. „Na Ziemi występuje zapad grawitacyjny, co oznacza, że ​​dwa atomy o różnych masach nie znajdą się w tym samym miejscu w pułapce. Z drugiej strony w kosmosie oddziaływanie grawitacyjne jest słabe i oba gatunki nakładają się na siebie. Ten aspekt pracy w mikrograwitacji jest niezbędny do przeprowadzania eksperymentów mających na celu obserwację interakcji między dwoma gatunkami, które w przeciwnym razie zostałyby porwane przez działanie grawitacji na Ziemi.

Kluczowa rola kwantowej inżynierii stanu

Wytworzenie kwantowej mieszaniny atomów rubidu i potasu przybliża zespół CAL o krok do przetestowania EEP, ale inne elementy eksperymentu nadal wymagają dopracowania. Na przykład, chociaż w pułapce oba gatunki nakładają się na siebie, po uwolnieniu z niej ich początkowe pozycje są nieco inne. Müller wyjaśnia, że ​​wynika to częściowo z właściwości każdego gatunku atomu, prowadzących do różnej dynamiki, ale jest to również spowodowane tym, że uwolnienie pułapki nie jest natychmiastowe, co oznacza, że ​​jeden z gatunków doświadcza resztkowej siły magnetycznej względem drugiego. Takie systematyczne skutki mogą z łatwością zostać uznane za naruszenie EEP, jeśli nie zostaną odpowiednio zabezpieczone.

Z tego powodu naukowcy skupili się na scharakteryzowaniu systematyki swojej pułapki i ograniczeniu niepożądanego hałasu. „To prace, które są aktywnie prowadzone w Hanowerze, a których celem jest stworzenie dobrze zaprojektowanych stanów wejściowych obu gatunków, co będzie miało kluczowe znaczenie, ponieważ przed uruchomieniem interferometru potrzebne będą podobne warunki początkowe” – mówi Müller. Dodaje, że jednym z rozwiązań problemu pozycji początkowej byłoby powolne przetransportowanie obu gatunków do jednej pozycji przed wyłączeniem pułapki magnetycznej. Chociaż można to zrobić z dużą precyzją, odbywa się to kosztem podgrzania atomów i utraty części z nich. Naukowcy mają zatem nadzieję wykorzystać uczenie maszynowe do optymalizacji mechanizmu transportu i osiągnąć w ten sposób podobną kontrolę nad dynamiką atomową, ale znacznie szybciej.

Dwugatunkowy interferometr atomowy w kosmosie

Po rozwiązaniu tych problemów następnym krokiem byłoby wykonanie testu EEP z wykorzystaniem interferometrii atomowej dwóch gatunków. Wiąże się to z wykorzystaniem impulsów świetlnych do stworzenia spójnej superpozycji dwóch ultrazimnych obłoków atomów, a następnie ich ponownego połączenia i umożliwienia im interferencji po pewnym czasie swobodnej ewolucji. Wzór interferencji zawiera cenne informacje na temat przyspieszenia mieszaniny, z których naukowcy mogą wywnioskować, czy oba gatunki doświadczyły tego samego przyspieszenia grawitacyjnego.

Czynnikiem ograniczającym w tej technice jest stopień nakładania się pozycji wiązki lasera i próbki atomowej. „To najtrudniejsza część” – podkreśla Müller. Jednym z problemów jest to, że wibracje ISS powodują wibrację systemu laserowego, wprowadzając do systemu szum fazowy. Inną kwestią jest to, że różna struktura poziomu masy i energii atomowej obu gatunków powoduje, że reagują one odmiennie na szum wibracyjny, powodując przesunięcie fazy między interferometrami dwóch atomów.

W najnowszej pracy naukowcy zademonstrowali jednoczesną interferometrię atomów mieszaniny i zmierzyli fazę względną pomiędzy wzorcem interferencji atomów rubidu i potasu. Jednakże doskonale zdają sobie sprawę, że taki etap jest prawdopodobnie spowodowany źródłami hałasu, z którymi się borykają, a nie naruszeniem EPP.

Przyszłe misje

Na ISS uruchomiono nowy moduł naukowy, którego celem jest zwiększenie liczby atomów, udoskonalenie źródeł laserowych i wdrożenie nowych algorytmów w sekwencji eksperymentalnej. Zasadniczo jednak naukowcy z CAL starają się wykazać precyzję pomiarów inercyjnych na poziomie wykraczającym poza obecny stan wiedzy. „Takie ustalenia są ważnymi kamieniami milowymi w kierunku przyszłych misji satelitarnych testujących powszechność swobodnego spadania na bezprecedensowy poziom” – mówi specjalista z Hanoweru Naceur Gaaloul, współautor najnowszego artykułu.

Kondensat Bosego-Einsteina wytwarzany jest na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Jednym z przykładów, o którym wspomina Gaaloul, jest propozycja STE-QUEST (badacz przestrzeni i czasu kosmicznego oraz test przestrzeni z zasadą równoważności kwantowej), która byłaby wrażliwa na różnice w przyspieszeniu rzędu zaledwie 10^-17 m / s². Precyzja ta jest równoważna upuszczeniu jabłka i pomarańczy i zmierzeniu po jednej sekundzie różnicy ich położenia z dokładnością do promienia protonu. Przestrzeń jest, jak wiadomo, twarda, ale interferometria atomowa w przestrzeni jest jeszcze trudniejsza.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/