ناسا با ارتقای آزمایشگاه کوانتومی خود در ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS) گام بزرگی در درک رفتار اتمها برداشته است. این آزمایشگاه که تقریباً به اندازه یک یخچال کوچک است، با محیط بدون جاذبه در مدار پایینی زمین، به دانشمندان فرصتی میدهد تا مکانیک کوانتومی را در سردترین دمای ممکن بررسی کنند. هدف این مأموریت، مطالعه ابرهای اتمی در دمایی نزدیک به صفر مطلق (منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتیگراد) است؛ یعنی سردترین دمای ممکن در سراسر کیهان که در آن اتمها تمام انرژی حرکتی خود را از دست میدهند و رفتاری خارج از تصورات روزمره ما به نمایش میگذارند.
ذرات زیراتمی اشیایی کوانتومی هستند که رفتارشان با دنیای فیزیکی و بزرگمقیاس ما تفاوت زیادی دارد. قوانین مکانیک کوانتومی پیشبینی میکنند که ذرات میتوانند به طور همزمان در چند مکان حضور داشته باشند، از فواصل بسیار دور با یکدیگر ارتباط اسرارآمیزی برقرار کنند و به جای حرکت مانند اجسام جامد، به شکل امواج در فضا و زمان جابهجا شوند.
مشاهده این رفتارها روی زمین بسیار دشوار است، زیرا انرژی ناشی از گرما و جاذبه، این حالتهای شکننده را به هم میریزد. برای درک بهتر ابعاد، باید بدانید که اگر یک اتم به اندازه یک توپ گلف بود، انسانی که به آن ضربه میزد باید قدی برابر با فاصله زمین تا ماه میداشت.
برای غلبه بر این موانع، «آزمایشگاه اتم سرد» در ایستگاه فضایی بینالمللی از لیزرهایی استفاده میکند تا گازهای روبیدیوم و پتاسیم را تا دمایی درست بالاتر از صفر مطلق خنک کند. در این سرمای شدید، اتمها حالت پنجم ماده به نام «چگالش بوز-اینشتین» را تشکیل میدهند. در این حالت، هزاران اتم هویت فردی خود را از دست میدهند و مانند یک موج واحد از ماده کوانتومی رفتار میکنند.
پنجمین حالت ماده در آزمایشگاه کوانتومی ایستگاه فضایی
برای انجام هر آزمایش، نواری از فلز روبیدیوم یا پتاسیم تا دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد گرم میشود تا به گاز تبدیل شود. سپس لیزرهایی با فرکانسهای خاص به سمت این گاز شلیک میشوند تا انرژی اتمها را تخلیه و آنها را بسیار کُند کنند. پس از اتمام مرحله خنکسازی با لیزر، یک تله مغناطیسی این ابر اتمی بیحرکت را در جای خود نگه میدارد. اگرچه امکان مطالعه این گازهای فوقسرد روی زمین نیز وجود دارد، اما محیط ریزگرانش فضا به دانشمندان امکان میدهد تا امواج کوانتومی بسیار بزرگتری را برای مدت زمانی طولانیتر بدون هیچ مزاحمتی بررسی کنند.
تجهیزات جدیدی که در آوریل ۲۰۲۶ به ایستگاه فضایی ارسال و نصب شدند، چهارمین ارتقای بزرگ این آزمایشگاه از زمان استقرار آن در سال ۲۰۱۸ محسوب میشود. این ارتقا شامل یک تله مغناطیسی با طراحی جدید برای تغییر شکل ابرهای گازی، منابع اتمی ارتقایافته و قابلیتهای اندازهگیری بسیار دقیقتر است.
این فناوریهای پیشرفته علاوهبر آزمایش قوانین فیزیک بنیادی، کاربردهای عملی در آینده خواهند داشت. درک عمیقتر این سیستمها میتواند به ساخت ابزارهای ناوبری بینیاز از GPS برای فضانوردان در کره ماه و همچنین تولید نقشههای بسیار دقیق از میدان گرانشی زمین منجر شود.