NASA will an Bord der ISS den kältesten Ort des Universums schaffen

Jeder weiß, dass der Weltraum kalt ist. In der riesigen Kluft zwischen Sternen und Galaxien sinkt die Temperatur gasförmiger Materie routinemäßig auf 3 Grad K oder 454 Grad unter Null Grad Fahrenheit.


Es wird noch kälter.

NASA-Forscher planen, den kältesten Ort im bekannten Universum zu schaffenInnerhalbdie Internationale Raumstation (ISS).


„Wir werden Materie bei Temperaturen untersuchen, die viel kälter sind als auf natürliche Weise“, sagt Rob Thompson vom JPL. Er ist der Projektwissenschaftler für das Cold Atom Lab der NASA, einen atomaren „Kühlschrank“, der 2016 zur ISS starten soll. „Wir wollen die effektiven Temperaturen auf 100 Pico-Kelvin senken.“

100 Pico-Kelvin sind nur ein Zehnmilliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, wo theoretisch die gesamte thermische Aktivität der Atome aufhört. Bei so niedrigen Temperaturen sind herkömmliche Konzepte von Festkörper, Flüssigkeit und Gas nicht mehr relevant. Atome, die knapp über der Schwelle von Nullenergie interagieren, schaffen neue Formen von Materie, die im Wesentlichen … Quanten sind.

Die Quantenmechanik ist ein Teilgebiet der Physik, das die bizarren Regeln von Licht und Materie auf atomarer Skala beschreibt. In diesem Bereich kann sich Materie gleichzeitig an zwei Orten befinden; Objekte verhalten sich sowohl als Teilchen als auch als Wellen; und nichts ist sicher: Die Quantenwelt läuft auf Wahrscheinlichkeit.




In dieses seltsame Reich werden Forscher, die das Cold Atom Lab verwenden, eintauchen.
„Wir beginnen“, sagt Thompson, „mit der Untersuchung von Bose-Einstein-Kondensaten.“

1995 entdeckten Forscher, dass, wenn man einige Millionen Rubidiumatome nimmt und sie nahe dem absoluten Nullpunkt kühlt, sie zu einer einzigen Materiewelle verschmelzen. Der Trick funktionierte auch mit Natrium. 2001 teilten sich Eric Cornell vom National Institute of Standards & Technology und Carl Wieman von der University of Colorado den Nobelpreis mit Wolfgang Ketterle vom MIT für ihre unabhängige Entdeckung dieser Kondensate, die Albert Einstein und Satyendra Bose im frühen 20 .

Wenn Sie zwei BECs erstellen und zusammenfügen, vermischen sie sich nicht wie ein gewöhnliches Gas. Stattdessen können sie wie Wellen „interferieren“: dünne, parallele Materieschichten werden durch dünne Leerraumschichten getrennt. Ein Atom in einem BEC kann sich einem Atom in einem anderen BEC hinzufügen und produzieren – überhaupt kein Atom.

„Das Cold Atom Lab wird es uns ermöglichen, diese Objekte bei den vielleicht niedrigsten Temperaturen aller Zeiten zu untersuchen“, sagt Thompson.
Das Labor ist auch ein Ort, an dem Forscher superkühle Atomgase mischen und sehen können, was passiert. „Mischungen unterschiedlicher Atomarten können nahezu störungsfrei zusammenschwimmen“, erklärt Thompson, „was uns erlaubt, sehr schwache Wechselwirkungen empfindlich zu messen. Dies könnte zur Entdeckung interessanter und neuartiger Quantenphänomene führen.“


Die Raumstation ist der beste Ort für diese Forschung. Die Mikrogravitation ermöglicht es Forschern, Materialien auf Temperaturen abzukühlen, die viel kälter sind, als dies am Boden möglich ist.

Thompson erklärt warum:

„Es ist ein Grundprinzip der Thermodynamik, dass sich ein Gas abkühlt, wenn es sich ausdehnt. Die meisten von uns haben damit praktische Erfahrung. Wenn man eine Dose Aerosol versprüht, wird die Dose kalt.“

Quantengase werden auf ähnliche Weise gekühlt. Anstelle einer Aerosoldose haben wir jedoch eine „Magnetfalle“.
„Auf der ISS können diese Fallen sehr schwach gemacht werden, weil sie die Atome nicht gegen die Schwerkraft stützen müssen. Schwache Fallen ermöglichen es Gasen, sich auszudehnen und auf niedrigere Temperaturen abzukühlen, als dies am Boden möglich ist.“


Niemand weiß, wohin diese Grundlagenforschung führen wird. Selbst die von Thompson aufgeführten „praktischen“ Anwendungen – Quantensensoren, Materiewellen-Interferometer und Atomlaser, um nur einige zu nennen – klingen nach Science-Fiction. „Wir betreten das Unbekannte“, sagt er.

Forscher wie Thompson betrachten das Cold Atom Lab als Tor in die Quantenwelt. Könnte die Tür in beide Richtungen schwingen? Wenn die Temperatur tief genug sinkt, „können wir Atomwellenpakete zusammenstellen, die so breit sind wie ein menschliches Haar – das heißt groß genug für das menschliche Auge.“ Ein Wesen der Quantenphysik wird die makroskopische Welt betreten.

Und dann beginnt die wahre Aufregung.

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