อะตอมในอวกาศถือเป็นการทดสอบใหม่เกี่ยวกับหลักการสมมูลของไอน์สไตน์ - โลกฟิสิกส์

อะตอมในอวกาศถือเป็นการทดสอบใหม่เกี่ยวกับหลักการสมมูลของไอน์สไตน์ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 8 มีนาคม 2024 4:30 น


ภาพถ่ายของสถานีอวกาศนานาชาติในวงโคจรรอบโลก โดยมีลูกแอปเปิ้ลและส้มหล่นทับอยู่ด้านบน
การตกอย่างอิสระ: หลักการความเท่าเทียมกันของไอน์สไตน์ถือได้ว่าการเคลื่อนที่ของวัตถุที่ตกลงอย่างอิสระ (ไม่ว่าจะเป็นแอปเปิล ส้ม หรือสิ่งอื่นใด) จะไม่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสิ่งเหล่านั้น ห้องปฏิบัติการอะตอมเย็นบนสถานีอวกาศนานาชาติมีจุดมุ่งหมายเพื่อทดสอบหลักการนี้โดยใช้อะตอมที่เย็นจัดซึ่งมีมวลต่างกัน (เอื้อเฟื้อโดย: Ali Lezeik ดัดแปลงภาพต้นฉบับจาก Roskosmos/NASA)

การเคลื่อนที่ของวัตถุที่ตกลงมาอย่างอิสระนั้นไม่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัตถุเหล่านั้น นี่เป็นหนึ่งในรากฐานของหลักการสมมูล (EEP) ของไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นรากฐานของความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงของเรา อย่างไรก็ตาม หลักการนี้อยู่ภายใต้การตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง การละเมิดใดๆ จะทำให้เราทราบเบาะแสในการค้นหาพลังงานมืดและสสารมืด ขณะเดียวกันก็ชี้แนะความเข้าใจของเราเกี่ยวกับหลุมดำและระบบอื่นๆ ที่แรงโน้มถ่วงและกลศาสตร์ควอนตัมมาบรรจบกัน

นักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐอเมริกา ฝรั่งเศส และเยอรมนี ได้สร้างระบบใหม่สำหรับทดสอบ EEP ซึ่งเป็นส่วนผสมของก๊าซควอนตัมเย็นจัด 2 ชนิดที่โคจรรอบโลกบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) พวกเขายังได้สาธิตอะตอมอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบสองสายพันธุ์ตัวแรกในอวกาศ ซึ่งพวกเขาอธิบายว่าเป็น "ขั้นตอนสำคัญ" ในการทดสอบ EEP คำถามที่พวกเขามุ่งหวังที่จะตอบในการทดลองนี้นั้นง่ายมาก: อะตอมสองอะตอมที่มีมวลต่างกันตกลงมาในอัตราเดียวกันหรือไม่

อะตอมเย็นบน ISS

สถานีอวกาศนานาชาติเป็นที่ตั้งของ ห้องปฏิบัติการ Cold Atom (CAL) ซึ่งเป็น “สนามเด็กเล่น” สำหรับอะตอมในอวกาศ เปิดตัวในปี 2018 ในปี 2020 บริษัทได้สร้างโบส-ไอน์สไตน์คอนเดนเสท (BEC) ขึ้นในอวกาศเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นสถานะพิเศษของสสารที่เกิดขึ้นหลังจากการทำให้อะตอมเย็นลงจนมีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย ก๊าซควอนตัมแรกนี้ประกอบด้วยอะตอมรูบิเดียมที่มีอุณหภูมิเย็นจัดเป็นพิเศษ แต่หลังจากการอัพเกรดในปี 2021 CAL ยังเป็นแหล่งไมโครเวฟสำหรับสร้างก๊าซควอนตัมของอะตอมโพแทสเซียม

ในผลงานล่าสุดที่ได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาตินักวิทยาศาสตร์ของ CAL ได้สร้างส่วนผสมควอนตัมของทั้งสองสายพันธุ์บน ISS “การสร้างส่วนผสมควอนตัมในอวกาศเป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาการวัดที่มีความแม่นยำสูงเพื่อทดสอบหลักการเทียบเท่าของไอน์สไตน์” กล่าว กาเบรียล มุลเลอร์นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยไลบ์นิซ ในเมืองฮันโนเวอร์ ประเทศเยอรมนี ซึ่งมีส่วนร่วมในการทดลองนี้

เพื่อให้บรรลุส่วนผสมนี้ ทีมงานได้จำกัดอะตอมของรูบิเดียมไว้ในกับดักแม่เหล็ก และปล่อยให้อะตอม "ร้อน" ที่มีพลังงานมากที่สุดระเหยออกจากกับดัก โดยทิ้งอะตอม "เย็น" ไว้เบื้องหลัง สิ่งนี้นำไปสู่การเปลี่ยนเฟสเป็นก๊าซควอนตัมในที่สุดเมื่ออะตอมลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติที่แน่นอน

แม้ว่ากระบวนการนี้จะใช้ได้กับอะตอมโพแทสเซียมด้วย แต่การระเหยทั้งสองชนิดไปพร้อมกันในกับดักเดียวกันนั้นไม่ได้ตรงไปตรงมา เนื่องจากโครงสร้างพลังงานภายในของอะตอมรูบิเดียมและโพแทสเซียมแตกต่างกัน อุณหภูมิเริ่มต้นในกับดักจึงแตกต่างกันไป และสภาวะที่เหมาะสมของกับดักและเวลาในการระเหยที่จำเป็นในการไปถึงอุณหภูมิวิกฤติก็เช่นกัน เป็นผลให้นักวิทยาศาสตร์ต้องหันไปหาวิธีแก้ปัญหาอื่น “ก๊าซควอนตัมโพแทสเซียมไม่ได้ถูกสร้างขึ้นโดยการทำความเย็นแบบระเหย แต่จะถูกทำให้เย็นลง 'เห็นอกเห็นใจ' ผ่านทางการสัมผัสความร้อนโดยตรงกับก๊าซรูบิเดียมที่เย็นจัดเป็นพิเศษที่ระเหยออกไป” Müller อธิบาย

เขากล่าวเสริมว่าการสร้างก๊าซควอนตัมในอวกาศนั้นมีข้อดี “บนโลก มีแรงโน้มถ่วงลดลง ซึ่งหมายความว่าอะตอมสองอะตอมที่มีมวลต่างกันจะไม่อยู่ในตำแหน่งเดียวกันในกับดัก ในทางกลับกัน ในอวกาศ ปฏิกิริยาระหว่างแรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนแอ และทั้งสองสายพันธุ์ก็ทับซ้อนกัน” ลักษณะการทำงานในสภาวะไร้น้ำหนักนี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทดลองที่มุ่งสังเกตปฏิกิริยาระหว่างสองสายพันธุ์ที่อาจจะถูกแย่งชิงโดยผลกระทบของแรงโน้มถ่วงบนโลก

บทบาทสำคัญของวิศวกรรมสถานะควอนตัม

การผลิตส่วนผสมควอนตัมของอะตอมรูบิเดียมและโพแทสเซียมช่วยให้ทีม CAL ใกล้การทดสอบ EEP เข้าไปอีกขั้นหนึ่ง แต่องค์ประกอบอื่นๆ ของการทดลองยังคงต้องได้รับการควบคุม ตัวอย่างเช่น แม้ว่าทั้งสองสายพันธุ์จะทับซ้อนกันในกับดัก แต่เมื่อพวกมันถูกปล่อยออกจากกับดัก ตำแหน่งเริ่มต้นของพวกมันจะแตกต่างกันเล็กน้อย Müller อธิบายว่าส่วนหนึ่งเป็นเพราะคุณสมบัติของอะตอมแต่ละสปีชีส์ที่นำไปสู่ไดนามิกที่แตกต่างกัน แต่ยังเกิดจากการปล่อยกับดักไม่ได้เกิดขึ้นทันที ซึ่งหมายความว่าสปีชีส์หนึ่งในสปีชีส์ประสบกับแรงแม่เหล็กที่เหลืออยู่เมื่อเทียบกับอีกสปีชีส์หนึ่ง ผลกระทบที่เป็นระบบดังกล่าวอาจปรากฏว่าเป็นการละเมิด EEP ได้ง่ายหากไม่ได้รับการดูแลอย่างเหมาะสม

ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงหันมาให้ความสนใจกับการกำหนดลักษณะของกับดักอย่างเป็นระบบและลดเสียงรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ “นี่เป็นงานที่ดำเนินการอย่างแข็งขันในฮันโนเวอร์ เพื่อสร้างสถานะอินพุตที่ออกแบบมาอย่างดีของทั้งสองสายพันธุ์ ซึ่งจะมีความสำคัญเนื่องจากคุณต้องการเงื่อนไขเริ่มต้นที่คล้ายคลึงกันก่อนที่คุณจะเริ่มอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์” Müller กล่าว เขาเสริมว่าวิธีแก้ปัญหาอย่างหนึ่งสำหรับปัญหาตำแหน่งเริ่มต้นคือการเคลื่อนย้ายทั้งสองสายพันธุ์ไปยังตำแหน่งเดียวอย่างช้าๆ ก่อนที่จะปิดกับดักแม่เหล็ก แม้ว่าสิ่งนี้สามารถทำได้ด้วยความแม่นยำสูง แต่ก็มีค่าใช้จ่ายในการทำให้อะตอมร้อนขึ้นและสูญเสียบางส่วนไป นักวิทยาศาสตร์จึงหวังว่าจะใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกลไกการขนส่ง และด้วยเหตุนี้จึงสามารถควบคุมไดนามิกของอะตอมได้เหมือนกัน แต่เร็วกว่ามาก

ภาพแสดงลำแสงเลเซอร์สีแดง 6 ลำที่ตัดผ่านภายในห้องที่มีชิปห้อยอยู่เหนือห้อง
การทำความเย็นอะตอมในอวกาศ: แผนผังของห้องปฏิบัติการ Cold Atom (CAL) ของ NASA แสดงการจัดเรียงลำแสงเลเซอร์และชิปอะตอม (เอื้อเฟื้อโดย: NASA/JPL)

อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์อะตอมแบบสองสายพันธุ์ในอวกาศ

เมื่อปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไขแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือทำการทดสอบ EEP โดยใช้อินเทอร์เฟอโรเมทรีของอะตอมแบบสองสปีชีส์ สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการใช้พัลส์แสงเพื่อสร้างการซ้อนทับกันของเมฆอะตอมเย็นจัดทั้งสองก้อน จากนั้นจึงรวมตัวกันอีกครั้งและปล่อยให้พวกมันเข้าไปยุ่งหลังจากช่วงวิวัฒนาการอิสระระยะหนึ่ง รูปแบบการรบกวนประกอบด้วยข้อมูลอันมีค่าเกี่ยวกับความเร่งของส่วนผสม ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถแยกแยะได้ว่าทั้งสองสายพันธุ์มีประสบการณ์ความเร่งโน้มถ่วงเท่ากันหรือไม่

ปัจจัยจำกัดในเทคนิคนี้คือตำแหน่งของลำแสงเลเซอร์และตัวอย่างอะตอมซ้อนทับกันได้ดีเพียงใด “นี่เป็นส่วนที่ยุ่งยากที่สุด” มุลเลอร์เน้นย้ำ ปัญหาหนึ่งคือการสั่นสะเทือนบน ISS ทำให้ระบบเลเซอร์สั่นสะเทือน ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนเฟสเข้าสู่ระบบ ปัญหาอีกประการหนึ่งคือโครงสร้างมวลและพลังงานปรมาณูที่แตกต่างกันของทั้งสองสายพันธุ์ทำให้พวกเขาตอบสนองต่อเสียงสั่นสะเทือนที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดการแยกระหว่างอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของอะตอมทั้งสอง

ในงานล่าสุด นักวิทยาศาสตร์ได้สาธิตอะตอมอินเตอร์เฟอโรเมทรีของส่วนผสมพร้อมกัน และวัดระยะสัมพัทธ์ระหว่างรูปแบบการรบกวนของรูบิเดียมกับอะตอมโพแทสเซียม อย่างไรก็ตาม พวกเขาตระหนักดีว่าขั้นตอนดังกล่าวน่าจะเกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนที่พวกเขาต้องจัดการ ไม่ใช่การละเมิด EPP

ภารกิจในอนาคต

โมดูลวิทยาศาสตร์ใหม่เปิดตัวสู่ ISS โดยมีเป้าหมายในการเพิ่มจำนวนอะตอม ปรับปรุงแหล่งเลเซอร์ และใช้อัลกอริธึมใหม่ในลำดับการทดลอง โดยพื้นฐานแล้ว นักวิทยาศาสตร์ของ CAL กำลังมุ่งมั่นที่จะสาธิตการวัดความแม่นยำเฉื่อยที่นอกเหนือไปจากความทันสมัยในปัจจุบัน “การตระหนักรู้ดังกล่าวถือเป็นก้าวสำคัญต่อภารกิจดาวเทียมในอนาคตที่ทดสอบความเป็นสากลของการตกอย่างอิสระไปสู่ระดับที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน” ฮันโนเวอร์กล่าว นาเซอร์ กาลูลผู้ร่วมเขียนบทความล่าสุด

ตัวอย่างหนึ่งที่ Gaaloul กล่าวถึงคือข้อเสนอ STE-QUEST (Space-Time Explorer และ Quantum Equivalence Principle Space Test) ซึ่งจะไวต่อความแตกต่างในการเร่งความเร็วเพียง 10-17 m / s2. ความแม่นยำนี้เทียบเท่ากับการทิ้งแอปเปิ้ลกับส้ม แล้ววัดความแตกต่างในตำแหน่งภายในรัศมีของโปรตอนในหนึ่งวินาที อวกาศนั้นมีชื่อเสียงว่าแข็ง แต่การแทรกสอดของอะตอมในอวกาศนั้นยากกว่าอีก

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์