NASA wytworzyła piąty stan skupienia. Zbliżyła się do osiągnięcia zera absolutnego

W tym artykule:

1. Czym jest kondensat Bosego-Einsteina?
2. Lodówka na stacji kosmicznej
3. Dlaczego NASA schładza atomy
4. Dalsze losy ISS

W maju 2018 r. na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) zainstalowano niezwykłe urządzenie zwane Cold Atom Laboratory (CAL). Rozmiarami przypomina ono lodówkę. Działaniem trochę też. Tyle, że osiąga ekstremalnie niskie temperatury.

W takich warunkach materia przechodzi w egzotyczny piąty stan skupienia. Nazywamy go kondensatem Bosego-Einsteina.

Czym jest kondensat Bosego-Einsteina?

Temperatura to miara ruchu elementów składowych materii. Im więcej energii im dostarczymy, tym silniej drgają, podskakują i oddalają się od siebie. Możemy też spowolnić je. Gdyby materia zamarła bez ruchu, osiągnęlibyśmy zero absolutne. Czyli temperaturę minus 273,15 stopni Celsjusza.

Gdy mocno schładzamy materię, działają specyficzne prawa fizyki kwantowej, którymi rządzą się atomy i cząstki elementarne. Materia może wówczas utworzyć tzw. kondensat Bosego-Einsteina (BEC). Atomy w nim zachowują się bardziej jak fale niż cząstki. A zbiór atomów zachowuje się jak jeden wielki superatom.

Odkryto nowy stan skupienia. Po co nam dwuwymiarowe ciało nadstałe

Stanów skupienia materii – czy też bardziej precyzyjnie – faz materii może być nawet kilkaset. Niektóre z nich to koncepty czysto teoretyczne i nieraz mocno egzotyczne.

Istnienie tego stanu materii przewidzieli Satyendranath Bose i Albert Einstein w latach 1924–1925. Eric Cornell, Carl Wieman i Wolfgang Ketterle po raz pierwszy wytworzyli kondensat Bosego-Einsteina w 1995 r. Przyniosło to naukowcom Nagrodę Nobla w 2001 r.

Lodówka na stacji kosmicznej

CAL potrafi produkować chmury ultrazimnych atomów rubidu – pierwiastka zaliczanego do metali. Naukowcy z NASA właśnie ogłosili, że ich urządzenie osiąga temperatury rzędu 100 nanokelwinów, czyli jednej dziesięciomilionowej stopnia powyżej zera absolutnego. To znacznie mniej niż średnia temperatura w przestrzeni kosmicznej, która wynosi ok. minus 270 stopni Celsjusza.

W takich warunkach powstaje kondensat Bosego-Einsteina. Co więcej, dzieje się to na stacji kosmicznej ISS, gdzie panuje mikrograwitacja (potocznie zwana nieważkością). To pozwala na dłuższe obserwacje BEC niż w laboratoriach na Ziemi.

CAL to pierwsze tego typu urządzenie na stacji kosmicznej, w której naukowcy mogą codziennie przez długi czas prowadzić badania BEC. Urządzenie jest zdalnie sterowane z Ziemi. Jego działanie nie wymaga interwencji astronautów.

Dlaczego NASA schładza atomy

– Naukowcy z całego świata są gotowi do korzystania z tego obiektu i podekscytowani tą możliwością – powiedział Kamal Oudrhiri, kierownik misji CAL. Urządzenie ma być wykorzystane m.in. do:

• precyzyjnych pomiarów grawitacji,
• badania problemów fizyki kwantowej (Wszechświata w najmniejszych skalach),
• badania falowej natury materii.

Oprócz BEC zbudowanych z atomów rubidu zespół CAL pracuje nad wytworzeniem kondensatu przy użyciu dwóch różnych izotopów atomów potasu. Naukowcy planują też osiągnięcie jeszcze niższych temperatur.

Dalsze losy ISS

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest nieprzerwanie zamieszkiwana od 2 listopada 2000 roku. Przeprowadzono na niej niezliczone eksperymenty naukowe. Dotyczyły one m.in. astrobiologii, astronomii, nauk fizycznych, materiałoznawstwa, pogody kosmicznej, medycyny kosmicznej i nauk przyrodniczych.

ISS za kilka lat zostanie jednak opuszczona. NASA przygotowuje się do deorbitacji starzejącej się stacji w 2030 roku.

Źródła: JPL, Nature.