Eksperiment sa ultrahladnim atomima na Zemlji obično zahteva veliki broj lasera, optičkih stolova, ogledala, vakuumskih komora i veoma stabilnu laboratoriju. Čak i najmanja vibracija ili promena temperature može poremetiti zrake kojima se atomi hlade i kontrolišu.
Za svemirski let sve mora biti mnogo manje, lakše i otpornije. Oprema mora da preživi snažno podrhtavanje rakete, ubrzanje, temperaturne promene i dug rad bez mogućnosti da joj tehničar jednostavno priđe i podesi ogledalo.
Međunarodni tim uspeo je da napravi minijaturni laserski sistem koji istovremeno kontroliše dve različite vrste atoma, rubidijum i kalijum. Sistem proizvodi kvantne gasove sa veoma velikim brojem čestica i priprema tehnologiju za buduće eksperimente u mikrogravitaciji.
Scientific Frontline je 5. avgusta predstavio uređaj kao važan korak prema svemirskim laboratorijama u kojima će se ispitivati gravitacija, kvantna fizika i ponašanje materije pri temperaturama veoma bliskim apsolutnoj nuli. Projekat je razvijan uz učešće Univerziteta Johan Gutenberg u Majncu, Humboltovog univerziteta i drugih nemačkih institucija.
Na sobnoj temperaturi atomi se neprekidno i brzo kreću. Njihovo ponašanje izgleda klasično, a pojedinačni kvantni efekti teško se izdvajaju.
Lasersko hlađenje koristi pažljivo podešenu svetlost koja usporava kretanje atoma. Zrak ne hladi materiju kao frižider, već prenosi veoma male impulse i smanjuje brzinu čestica.
Kada temperatura padne na izuzetno malu vrednost, određeni atomi mogu ući u stanje poznato kao Boze–Ajnštajnov kondenzat.
Tada veliki broj čestica počinje da se ponaša kao jedan zajednički kvantni sistem. Umesto skupa nezavisnih atoma, dobija se talas materije koji se može precizno kontrolisati.
Takvi gasovi koriste se za veoma osetljiva merenja. Njihova kvantna interferencija može registrovati ubrzanje, rotaciju i male razlike u gravitacionom polju.
Na Zemlji gravitacija brzo povlači oblak atoma prema dnu komore. Eksperiment ima ograničeno vreme pre nego što čestice udare u zidove.
U mikrogravitaciji oblak može slobodno da lebdi mnogo duže. Time se povećava vreme merenja i omogućava postizanje još niže efektivne temperature.
Rad sa dve atomske vrste posebno je važan. Rubidijum i kalijum mogu se istovremeno pustiti da slobodno padaju i zatim veoma precizno uporediti.
Jedno od osnovnih pitanja fizike jeste da li sva tela padaju jednako bez obzira na sastav. U klasičnoj fizici odgovor daje princip ekvivalencije, temelj Ajnštajnove opšte teorije relativnosti.
Kvantna teorija i gravitacija još nisu objedinjene u jednu potpunu sliku. Zato su precizni testovi slobodnog pada različitih kvantnih sistema veoma važni.
Ukoliko bi se otkrila i najmanja pouzdana razlika, to bi ukazivalo na fiziku izvan sadašnjih teorija.
Najverovatniji rezultat jeste potvrda postojećeg principa sa još većom preciznošću. I takav rezultat je važan jer sužava prostor za alternativne teorije.
Laserski sistem mora istovremeno koristiti različite talasne dužine za dve vrste atoma. To zahteva dodatne izvore svetlosti, elektroniku i optičke komponente.
Ipak, novi uređaj zadržao je približno isti obim i masu kao raniji sistemi namenjeni samo jednoj vrsti atoma.
Ključni delovi postavljeni su na optičke ploče od materijala Zerodur, posebne staklokeramike koja se veoma malo širi i skuplja pri promeni temperature.
Obično staklo i metal menjaju dimenzije kada se zagreju. Kod precizne optike čak i mikroskopska promena može pomeriti zrak van cilja.
Zerodur pomaže da ogledala i drugi elementi ostanu u gotovo istom položaju tokom lansiranja i rada.
Sistem je testiran u uređaju poznatom kao Ajnštajnov lift, koji omogućava kratke periode mikrogravitacije bez odlaska u svemir.
Eksperimentalna kapsula kreće se kroz visoku vertikalnu konstrukciju tako da instrumenti unutra nakratko dožive uslove slobodnog pada.
Takva testiranja mogu se ponavljati češće i jeftinije od raketnih letova. Istraživači tako proveravaju stabilnost lasera, vakuumskog sistema i elektronike.
Krajnji cilj povezan je sa budućom laboratorijom BECCAL, nemačko-američkim projektom planiranim za Međunarodnu svemirsku stanicu.
Na stanici bi eksperimenti mogli trajati mnogo duže nego tokom paraboličnog leta ili kratkog pada u tornju.
Kvantni senzori u svemiru jednog dana mogu imati i praktične primene. Veoma precizno merenje gravitacije može pomoći u praćenju podzemnih voda, ledenih masa i promena u raspodeli mase Zemlje.
Moguće su i nove metode navigacije koje ne zavise isključivo od satelitskog signala. Atomski interferometri mogu meriti kretanje sa velikom preciznošću.
Za sada je najvažnija osnovna fizika. Naučnici žele da posmatraju kako dve kvantne tečnosti međusobno deluju i da testiraju zakone prirode u uslovima koji se teško stvaraju na tlu.
Apsolutna nula, temperatura na kojoj bi klasično kretanje čestica bilo minimalno, ne može se potpuno dostići. Ipak, ultrahladni gasovi mogu joj se približiti na milijarditi deo stepena.
U tom režimu materija pokazuje osobine koje u svakodnevnom svetu ne primećujemo. Atomi prolaze kroz interferenciju, stvaraju zajednička stanja i reaguju na izuzetno slabe sile.
Najveći tehnički uspeh novog sistema možda nije u jednom spektakularnom rezultatu, već u pouzdanosti. Svemirski eksperiment mora raditi bez stalnog popravljanja.
Laboratorija koja je nekada zauzimala čitavu prostoriju sada je smanjena na uređaj koji može stati u kapsulu i preživeti put raketom.
Kada stigne u mikrogravitaciju, njeni laseri neće posmatrati udaljene zvezde. Biće usmereni na oblak atoma manji od zrna prašine, ali dovoljno osetljiv da proverava neke od najvećih zakona svemira.
S.B.
