مختبر الكم المداري التابع لناسا يندفع نحو المجهول

ال محطة الفضاء الدولية هي الآن موطن لمختبر كمي أكثر قدرة، حيث ناسا يبرد الذرات إلى ما يقرب من الصفر المطلق لدراسة واحدة من أغرب حالات المادة المعروفة.

قام رواد الفضاء على متن محطة الفضاء الدولية بتنشيط مختبر Cold Atom Lab الذي تمت ترقيته حديثًا التابع لناسا، وهو منشأة بحثية فريدة تساعد العلماء على استكشاف الطبيعة الأساسية للمادة مع تطوير الجيل التالي من تقنيات الكم. ومن خلال الاستفادة من بيئة الجاذبية الصغرى للمحطة، يستطيع المختبر إجراء تجارب لا يمكن تحقيقها على الأرض.

يركز علم الكم على أصغر وحدات البناء في الطبيعة، بما في ذلك الذرات والإلكترونات وجسيمات الضوء الفردية. على الرغم من أن الذرات غالبًا ما يتم تصويرها على أنها مجالات صلبة صغيرة، إلا أنها يمكنها أيضًا أن تتصرف مثل الموجات، وتتواجد في أماكن متعددة في وقت واحد، وحتى تمر عبر بعضها البعض في ظل الظروف المناسبة.

يعمل مختبر Cold Atom Lab، الذي يبلغ حجمه حجم ثلاجة صغيرة تقريبًا، ويتم التحكم فيه عن بعد من الأرض، على تبريد الذرات إلى درجات حرارة تقل عن 459 درجة تحت الصفر فهرنهايت (ناقص 237 درجة مئوية). عند درجات حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق، تتحد الذرات لتشكل مكثف بوز-آينشتاين (BEC)، وهي حالة غير عادية للمادة تسمى أحيانًا الحالة الخامسة بعد المواد الصلبة والسوائل والغازات والعناصر. بلازما. على الرغم من أن BEC أكبر بكثير من الجسيمات الفردية، إلا أنه لا يزال يتبع القواعد الغريبة لميكانيكا الكم. كما تسمح الجاذبية الصغرى للمدار الأرضي المنخفض لهذه الموجات المادية بالنمو بشكل أكبر مما تستطيع على الأرض.

يقول جيسون ويليامز، عالم مشروع مختبر الذرة الباردة في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا، والذي قام ببناء المنشأة: “في درجات الحرارة الأكثر برودة، تتصرف المادة بشكل مختلف تمامًا عن أي شيء شهدناه”. “إن الطبيعة الموجية للمادة هي المهيمنة، ويمكن للمادة فائقة البرودة أن تتصرف بطرق ليست غير متوقعة فحسب، بل تتيح أيضًا قياسات دقيقة للغاية للوقت والجاذبية والحركة. يحتوي المختبر على الكثير من الأدوات – خاصة مع هذه الترقية الأخيرة – للسماح لنا باستكشاف طبيعة الكون.”

يدعم المرفق حاليًا خمسة فرق بحثية دولية تدرس الفيزياء الأساسية. كما أنها بمثابة أرض اختبار للتقنيات الكمومية التي يمكن استخدامها في نهاية المطاف في مهام علوم الأرض واستكشاف الفضاء في المستقبل.

كيف يعمل مختبر الذرة الباردة التابع لناسا

جوهر مختبر الذرة الباردة هو وحدته العلمية، وهي عبارة عن مجموعة متطورة من الأدوات. وصلت نسخة مطورة حديثًا من هذه الوحدة إلى المحطة الفضائية في 11 أبريل على متن مهمة خدمات إعادة الإمداد التجارية، مما يوسع نطاق التجارب التي يمكن للعلماء إجراؤها.

تبدأ كل تجربة بتسخين شريط من معدن الروبيديوم أو البوتاسيوم إلى درجة حرارة تصل إلى 750 درجة فهرنهايت (400 درجة مئوية)، مما ينتج عنه غاز داخل حجرة مفرغة. ثم يطلق العلماء أشعة ليزر مضبوطة على ترددات محددة على الغاز. يقوم الليزر بإزالة الطاقة من الذرات عن طريق إبطائها، مما يؤدي إلى خفض درجة حرارتها بشكل كبير. بعد اكتمال التبريد بالليزر، يقوم مصيدة مغناطيسية بالتقاط الذرات. تعمل تقنيات التبريد الإضافية على تقليل طاقتها بشكل أكبر حتى تصبح سحابة الذرات ساكنة تقريبًا، مما يسمح للباحثين بزيادة الوقت الذي يمكن دراستها في الجاذبية الصغرى.

يمكن للمختبرات الموجودة على الأرض أيضًا إنتاج غازات فائقة البرودة، لكن محطة الفضاء الدولية توفر مزايا كبيرة. وفي المدار، يستطيع العلماء مراقبة الغازات الكمومية لفترات أطول وفي درجات حرارة أقل. تسمح بيئة الجاذبية المنخفضة أيضًا لموجات المادة الأكبر بالتشكل والتفاعل مع الجاذبية لفترات أطول. ولجعل هذه التجارب ممكنة، قامت وكالة ناسا بتكثيف ذرة مختبر الفيزياء الذي يملأ عادةً غرفة كاملة من أجهزة الليزر والمرايا والمعدات في رف واحد على متن المحطة الفضائية.

وقال إيثان إليوت، نائب عالم المشروع في مختبر Cold Atom Lab في مختبر ذرة بارد: “باعتبارنا أول مشروع لإنشاء مكثفات Bose-Einstein في المدار، فإننا نثبت أنه بإمكاننا جعل تكنولوجيا الكم تعمل بشكل موثوق في الفضاء”. مختبر الدفع النفاث. “في القرن الماضي، كانت هناك ثورة كمومية أدت إلى ظهور أجهزة الليزر والهواتف المحمولة وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي للتصوير الطبي. نحن نجري المعالجة الكمية 2.0 – التلاعب المباشر بالحالات الكمومية الكبيرة – ونأمل في تحقيق مكاسب مماثلة في التكنولوجيا الكمومية من خلال تطوير هذا العلم في المدار.”

ترقية جديدة توسع الأبحاث الكمومية

يمثل هذا التحسين الأخير التحديث الرابع منذ تركيب مختبر Cold Atom Lab على متن محطة الفضاء الدولية في عام 2018. ومن بين التغييرات الأكثر أهمية هو المصيدة المغناطيسية المعاد تصميمها والتي تتيح للعلماء تغيير شكل سحب الغاز الكمومي، مما يجعل من الممكن التحقيق في خصائص جديدة للذرات. كما قدم المهندسون أيضًا شرائح معدنية معاد تصميمها توفر مصادر محسنة لإنشاء تلك السحب الغازية.

قال كمال أوديريري، مدير مشروع Cold Atom Lab في مختبر الدفع النفاث، في إشارة إلى درجات الحرارة المنخفضة هذه: “إنه أقرب شيء لدينا للتحكم في حدود العالم الكمي”. “هذه الترقية الجديدة تدفع هذه الحدود إلى أبعد من ذلك.”

وقال أودرهيري إن التحسينات “تُظهر أيضًا قدرة ناسا على الحفاظ على الريادة الأمريكية في تقنيات الكم الفضائية مع تطوير الأدوات الكمومية المستقبلية، مثل مقاييس تداخل موجة المادة لمهام الفيزياء الأساسية، وتحديد المواقع، والملاحة، والتوقيت، واستشعار الجاذبية للأرض والقمر وما وراءهما”.

تقدم العلوم في الفضاء

تتم إدارة مختبر الذرة الباردة من قبل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا، بينما يقوم مختبر الدفع النفاث التابع لناسا بتصميم المنشأة وبنائها ومواصلة تشغيلها. يرعى المشروع قسم العلوم البيولوجية والفيزيائية في مديرية المهام العلمية التابعة لناسا في واشنطن.

يستخدم القسم الظروف الفريدة للفضاء لإجراء تحقيقات علمية لا يمكن إجراؤها على الأرض. ومن خلال دراسة العمليات البيولوجية والفيزيائية في هذه البيئات القاسية، يكتسب الباحثون المعرفة اللازمة لدعم استكشاف الفضاء السحيق في المستقبل مع إنتاج اكتشافات وتقنيات يمكن أن تفيد الحياة على الأرض.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.