لقد جعل مختبر الذرة الباردة الكمي التابع لناسا الفضاء أكثر برودة – حرفيًا

تقوم ناسا بتجربة استخدام تكنولوجيا الكم لقياس الجاذبية والمجالات المغناطيسية والقوى الأخرى في الفضاء. اختبرت وكالة الفضاء للتو أداة جديدة تمامًا على متن محطة الفضاء الدولية (ISS) لقياس اهتزازات المختبر المداري باستخدام ذرات شديدة البرودة.

تستخدم الأداة الكمومية، التي تسمى مقياس التداخل الذري، ذرات يتم تبريدها بالليزر إلى أجزاء من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق للحصول على قياسات دقيقة لخصائص الذرات نفسها. وهذا أكثر برودة من الفضاء، الذي يُظهر درجة حرارة محيطة تبلغ 2.725 درجة كلفن فوق الصفر المطلق.

على الرغم من استخدام مقاييس التداخل الذري على الأرض، إلا أنها كانت تعتبر هشة للغاية بحيث لا يمكنها العمل لفترات أطول في الفضاء. ومع ذلك، باستخدام مختبر الذرة الباردة التابع لناسا – وهو منشأة على محطة الفضاء الدولية بحجم ثلاجة صغيرة تقريبًا – أثبت العلماء أنه من الممكن استخدام مقاييس التداخل الذري في الفضاء. نتائج التجربة الأخيرة مفصلة في دراسة حديثة نشرت في اتصالات الطبيعة.

يستفيد مختبر Cold Atom من بيئة الجاذبية الصغرى على متن محطة الفضاء الدولية لدراسة الظواهر الكمومية. يقوم المختبر بتبريد الذرات إلى الصفر المطلق تقريبًا، أو -459 درجة فهرنهايت (-273 درجة مئوية). في درجات الحرارة شديدة البرودة، تشكل الذرات الحالة الخامسة للمادة (على عكس الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية أو البلازما) تسمى مكثف بوز-آينشتاين، مما يجعل الخصائص الكمومية للذرات مجهرية وليست مجهرية. ونتيجة لذلك، أصبحت مراقبة خصائص الذرات أسهل.

في بيئة الجاذبية الصغرى لمحطة الفضاء الدولية، يمكن أن تستمر حالة مكثفات بوز-آينشتاين لفترة أطول وتصل إلى درجات حرارة أكثر برودة، مما يخلق فرصة أفضل للمراقبة. باستخدام مقياس التداخل الذري، يستفيد العلماء من الخصائص الموجية للذرات، والتي يمكن أن تتسبب في انتقال ذرة واحدة في وقت واحد إلى مسارين منفصلين فيزيائيًا. عندما تتحد موجات الذرة وتتفاعل مرة أخرى، يستطيع العلماء قياس تأثير الجاذبية أو القوى الأخرى التي أثرت على تلك الموجات.

إن وجود مقياس تداخل ذري فضائي يمكنه قياس الجاذبية بدقة متناهية يمكن أن يساعد العلماء في الحصول على فهم أفضل لتكوين الأقمار والأجرام السماوية الأخرى. تؤدي الكثافات والمواد المختلفة للأقمار والكواكب إلى اختلافات طفيفة في الجاذبية. يمكن للقياسات الدقيقة للجاذبية أن تمنح العلماء فكرة نادرة عن المادة المظلمة، وهي المادة الأكثر مراوغة في الكون.

وقال كاس ساكيت، الباحث الرئيسي في مختبر الذرة الباردة والمؤلف المشارك للدراسة الجديدة، في بيان: “يمكن أيضًا استخدام قياس التداخل الذري لاختبار نظرية النسبية العامة لأينشتاين بطرق جديدة”. “هذه هي النظرية الأساسية التي تشرح البنية واسعة النطاق لكوننا، ونحن نعلم أن هناك جوانب من النظرية لا نفهمها بشكل صحيح. وقد تساعدنا هذه التكنولوجيا في سد تلك الفجوات وتعطينا صورة أكثر اكتمالا عن الواقع الذي نعيش فيه.

تم إطلاق مختبر الذرة الباردة التابع لناسا إلى محطة الفضاء الدولية في عام 2018 وكان أول من أنشأ مكثفات بوز-آينشتاين في المدار. يتم تشغيل المختبر عن بعد من الأرض، ويمكن أن تساعدنا الاكتشافات باستخدام المنشأة يومًا ما في الوصول إلى مسافة أبعد في الفضاء وفهم الكون المحيط بنا بشكل أفضل.

أكثر: قام الباحثون ببناء مستشعر اهتزاز كمي يمكنه قياس أصغر وحدات الصوت