Forskerne planlægger at studere stof ved 100 pico-Kelvin. Ved så lave temperaturer er almindelige begreber fast, væske og gas ikke længere relevante.
Alle ved, at pladsen er kold. I den enorme kløft mellem stjerner og galakser falder temperaturen i luftformigt stof rutinemæssigt til 3 grader K eller 454 grader under nul Fahrenheit.
Det handler om at blive endnu koldere.
NASA-forskere planlægger at skabe det koldeste sted i det kendte univers inde Den Internationale Rumstation (ISS).
”Vi vil undersøge stof ved koldere temperaturer end naturligt,” siger Rob Thompson fra JPL. Han er projektforsker for NASAs Cold Atom Lab, et atomisk 'køleskab', der er beregnet til lancering til ISS i 2016. "Vi sigter mod at skubbe effektive temperaturer ned til 100 pico-Kelvin."
100 pico-Kelvin er kun en ti milliardedel af en grad over absolut nul, hvor al den termiske aktivitet af atomer teoretisk stopper. Ved så lave temperaturer er almindelige begreber fast, væske og gas ikke længere relevante. Atomer, der interagerer lige over tærsklen for nul energi skaber nye former for stof, der i det væsentlige er ... kvante.
Kvantemekanik er en gren af fysik, der beskriver de bisarre regler for lys og stof på atomvægte. På dette område kan materien være to steder på én gang; objekter opfører sig som både partikler og bølger; og intet er sikkert: Kvanteverden løber med sandsynlighed.
Det er i denne mærkelige verden, at forskere, der bruger Cold Atom Lab, kaster sig ned.
"Vi begynder," siger Thompson, "ved at studere Bose-Einstein kondensater."
I 1995 opdagede forskere, at hvis du tog et par millioner rubidiumatomer og afkølede dem i nærheden af absolut nul, ville de smelte sammen til en enkelt bølge af stof. Tricket fungerede også med natrium. I 2001 delte Eric Cornell fra National Institute of Standards & Technology og Carl Wieman fra University of Colorado Nobelprisen med Wolfgang Ketterle fra MIT for deres uafhængige opdagelse af disse kondensater, som Albert Einstein og Satyendra Bose havde forudsagt i begyndelsen af det 20. århundrede .
Hvis du opretter to BEC'er og sætter dem sammen, blandes de ikke som en almindelig gas. I stedet kan de "forstyrre" som bølger: tynde, parallelle lag af stof adskilles af tynde lag med tom plads. Et atom i en BEC kan tilføje sig selv til et atom i et andet BEC og producere - intet atom overhovedet.
”Cold Atom Lab vil give os mulighed for at studere disse objekter ved måske de laveste temperaturer nogensinde,” siger Thompson.
Laboratoriet er også et sted, hvor forskere kan blande super-cool atomgasser og se, hvad der sker. "Blandinger af forskellige typer atomer kan flyde sammen næsten fuldstændigt fri for forstyrrelser," forklarer Thompson, "så vi kan foretage følsomme målinger af meget svage interaktioner. Dette kan føre til opdagelsen af interessante og nye kvantefænomener. ”
Rumstationen er det bedste sted at udføre denne undersøgelse. Mikrogravitet giver forskere mulighed for at afkøle materialer til temperaturer, der er meget koldere, end der er muligt på jorden.
Thompson forklarer hvorfor:
”Det er et grundlæggende princip i termodynamik, at når en gas ekspanderer, afkøles den. De fleste af os har praktisk erfaring med dette. Hvis du sprøjter en dåse med aerosoler, bliver dåsen kold. ”
Kvantegasser afkøles på omtrent samme måde. I stedet for en aerosolbeholder har vi imidlertid en 'magnetisk fælde'.
”På ISS kan disse fælder gøres meget svage, fordi de ikke behøver at understøtte atomerne mod tyngdekraften. Svage fælder giver gasser mulighed for at ekspandere og afkøle til lavere temperaturer end der er muligt på jorden. ”
Ingen ved, hvor denne grundlæggende forskning vil føre. Selv de “praktiske” applikationer, der er opført af Thompson - kvantesensorer, materiebølgeinterferometre og atomlasere, bare for at nævne nogle få - lyder som science fiction. ”Vi går ind i det ukendte,” siger han.
Forskere som Thompson tænker på Cold Atom Lab som en døråbning ind i kvanteverdenen. Kunne døren svinge begge veje? Hvis temperaturen falder lavt nok, "vil vi være i stand til at samle atombølgepakker så brede som et menneskehår - det vil sige stort nok til at det menneskelige øje kan se." En væsen af kvantefysik vil være kommet ind i den makroskopiske verden.
Og så begynder den virkelige spænding.