پنجمین حالت ماده برای نخستین بار در فضا مشاهده شد!

دانشمندان پنجمین حالت ماده را برای اولین بار در فضا مشاهده کردند. این اتفاق بسیار مهم و هیجان‌انگیز، بینش بی‌سابقه‌ای را به فیزیک‌دانان می‌دهد که می‌تواند به حل برخی از معماهای رام‌نشدنی دنیای کوانتوم کمک کند. با دیپ لوک همراه باشید…

چگالیده‌ی بوز-اینشتین (BECs) که وجود آن تقریبا یک قرن پیش توسط آلبرت اینشتین و ریاضیدان هندی ساتیندرا بوز (Satyendra Nath Bose) پیش‌بینی شده بود، زمانی که اتم‌های عناصر معینی تا دمای بسیار نزدیک به صفر مطلق نزدیک سرد می‌گردند، تشکیل می‌شود. اتم‌ها در این نقطه به یک ماهیت واحد با ویژگی‌های کوانتومی تبدیل می‌شوند که در آن، هر ذره همچون یک موج ماده نیز عمل می‌کند. چگالیده‌ی بوز-اینشتین روی مرز بین دنیای ماکروسکوپی (که با نیروهایی مانند گرانش کنترل می‌شود) و دنیای میکروسکوپی (که تحت حاکمیت مکانیک کوانتومی است)، قدم می‌زند.

دانشمندان معتقدند چگالیده‌ی بوز-اینشتین سرنخ‌های مهمی از پدیده‌های اسرارآمیزی مانند انرژی تاریک، در خود دارد. اما چگالیده‌های بوز-اینشتین بسیار شکننده هستند. حتی ضعیف‌ترین برهمکنش با دنیای خارج، برای گرم‌شدن و عبور آن‌ها از آستانه‌ی چگالش کافی است. این ویژگی، مطالعه چگالیده‌های بوز-اینشتین را در زمین تقریبا غیر ممکن می‌سازد؛ چرا که گرانش با میدان‌های مغناطیسی لازم برای نگه‌داشتن آن‌ها در یک مکان ثابت، تداخل کرده و باعث ایجاد مشکل می‌شود.

ماه پیش، گروهی از دانشمندان ناسا از اولین نتایج آزمایش‌های BEC داخل ایستگاه فضایی بین‌المللی رونمایی کردند. در ایستگاه فضایی بین‌المللی می‌توان ذرات را بدون وجود محدودیت‌های زمین دستکاری کرد. رابرت تامپسون (Robert Thompson) از کلتک می‌گوید:

ریزگرانش به ما اجازه می‌دهد تا اتم‌ها را با نیروهایی بسیار ضعیف‌تر نیز مقید کنیم، زیرا دیگر مجبور نیستیم از این نیروها در مقابل نیروی گرانش محافظت کنیم.

این مقاله که در مجله Nature منتشر شد، چند تفاوت شگفت‌انگیز بین ویژگی‌های BECهای ایجادشده روی زمین و آن‌هایی که در ISS قرار دارند را نشان می‌دهد. مثلا BEC در آزمایشگاه‌های زمینی معمولاً طول عمری، چند میلی‌ثانیه‌ای دارد، در حالیکه BECهای ایستگاه فضایی بین‌المللی، بیش از یک ثانیه طول عمر داشتند که این امر، فرصت بی‌سابقه‌ای برای مطالعه خواص آن‌ها در اختیار محققان قرار داد. ریزگرانش همچنین دستکاری اتم‌ها توسط میدان‌های مغناطیسی ضعیف‌تر را امکان‌پذیر می‌کند که این امر سرمایش آن‌ها را تسریع کرده و منجر به تصویربرداری شفاف‌تری می‌گردد.

پیشرفت خیره‌کننده

ایجاد حالت پنجم ماده، به ویژه در قیود فیزیکی یک ایستگاه فضایی، یک شاهکار است. ابتدا بوزون‌ها (ذراتی که تعداد مساوی پروتون و الکترون دارند) با استفاده از لیزرها، و به منظور ثابت ماندن در محلشان، تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌شوند. هرچه اتم‌ها کندتر حرکت کنند، سردتر می‌شوند. همانطور که بوزون‌ها گرما از دست می‌دهند، یک میدان مغناطیسی برای جلوگیری از حرکت آن‌ها و گسترش موج هر ذره، اعمال می‌گردد. چپانیدن بسیاری از بوزون‌ها در یک تله میکروسکوپی باعث می شود امواج آن‌ها به یک موج مادی همپوشانی کند که به این ویژگی‌ همترازی کوانتومی (quantum degeneracy) گفته می‌شود.

دومین تله مغناطیسی، به منظور مطالعه چگالیده اعمال می‌گردد، با این حال، اتم‌ها شروع به دفع یکدیگر می‌کنند و باعث می‌شوند این ابر، از هم‌ پاشیده شود و در نتیجه BEC برای آشکارسازی بسیار رقیق شود.

تامپسون و همکارانش فهمیدند که ریزگرانش در ایستگاه فضایی بین‌المللی به آن‌ها امکان ایجاد BEC از روبیدیم (فلز نرمی شبیه پتاسیم) در دامی بسیار کم عمق‌تر از زمین را می‌دهد. این امر، زمان زیادی را برای مطالعه‌ی چگالیده‌، قبل از تخریب و پخش‌شدن، در اختیار محققان قرار داد. تامپسون می‌گوید:

از همه مهم‌تر، ما می‌توانیم اتم‌ها را مشاهده کنیم، زیرا آن‌ها کاملا از قید نیروهای خارجی، آزاد بوده و شناورند.

مطالعات قبلی برای تقلید اثر بی‌وزنی در BEC، هواپیماها در سقوط آزاد، موشک‌‌ها و حتی دستگاهی که از ارتفاعات مختلف سقوط می‌کرد را امتحان کردند. آزمایش نسبیت عام، جستجوی انرژی تاریک و امواج گرانشی، ناوبری فضاپیما و جستجوی مواد معدنی زیرسطحی در ماه و سایر اجسام سیاره‌ای، از جمله کاربردهای BEC ‌ها در ریزگرانش هستند.