მეცნიერებმა მატერიის მეხუთე მდგომარეობაში მყოფი ღრუბლის შესწავლა კოსმოსში შეძლეს
მეცნიერებმა მატერიის მეხუთე მდგომარეობაში მყოფი ღრუბლის შესწავლა კოსმოსში შეძლეს

2018 წლის ივლისში, ნასამ განსაცვიფრებელი მიღწევის შესახებ გვამცნო — დედამიწის ორბიტაზე, საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზე შექმნა კოსმოსის ყველაზე ცივი წერტილი.

მკვლევრებმა აიღეს რბილი ლითონის, სახელად რუბიდიუმის ატომები და 100 ნანოკლვინამდე (-273,15 გრადუსი ცელსიუსი) გააციეს, ანუ, აბსოლუტურ ნულზე ოდნავ მაღლა.

შედეგად მიიღეს სუპერცივი ღრუბელი, რომელსაც ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი ეწოდება, ანუ მატერიის მეხუთე, „ეგზოტიკური“ მდგომარეობა, რომელიც შეიძლება დაგვეხმაროს ულტრაცივი ატომების უცნაური კვანტური მახასიათებლების შესწავლაში. თუმცა, კვლევა აქ არ ჩერდება.

ნასას რეაქტიულ ძრავთა ლაბორატორიის ცივი ატომების ლაბორატორიაში მეცნიერებმა შექმნეს ბოზე-აინშტაინის კონდენსატები, რომელიც აბსოლუტურ ნულზე ნანოკლვინზე ნაკლებით მეტია; გამოიყენეს საერთაშორისო კოსმოსური სადგურის მიკროგრავიტაციის გარემო, რათა ამ მდგომარეობის შესახებ იმაზე მეტი შეესწავლათ, ვიდრე ეს დედამიწაზე იყო შესაძლებელი. ცივი ატომების ლაბორატორია საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზეა განთავსებული.

ბოზე-აინშტაინის კონდენსატები საკმაოდ უცნაურია. წარმოიქმნება აბსოლუტურ ნულზე ოდნავ მაღალ ტემპერატურაზე გაციებული ბოზონებისგან (არ უნდა მიაღწიონ აბსოლუტურ ნულს, რადგან ამ წერტილზე ატომები მოძრაობას წყვეტენ). ამის გამო, ისინი საკუთარი ენერგიის ყველაზე დაბალ წერტილს აღწევენ, მოძრაობენ უკიდურესად ნელა და ერთმანეთთან ურთიერთგადაფარვისთვის საკმარის მანძილზე მიდიან; შედეგად კი წარმოქმნიან მაღალი სიმკვრივის მქონე ატომების ღრუბელს, რომელიც ერთი დიდი „სუპერატომის“ ან მატერიის ტალღის სახით მოქმედებს.

კვანტური მექანიკის გამო, რომელშიც თითოეული ნაწილაკი შეიძლება ტალღად აღიწეროს, ატომურ მასშტაბზე დაკვირვება ადვილია, ბოზე-აინშტაინის კონდენსატები მეცნიერებს კვანტური ქცევის უფრო დიდ მასშტაბებში შესწავლის საშუალება აქვთ, ინდივიდუალური ატომის შესწავლის ნაცვლად.

ბოზე-აინშტაინის კონდენსატების შექმნა დედამიწაზეც შესაძლებელია და ამისათვის საჭიროა ლაზერული გაციების, მაგნიტური ველებისა და აორთქლებადი გაციების კომბინაციის გამოყენება. აორთქლებადი გაციების მეთოდი ბოლო ნაბიჯია — ატომები მაგნიტურ ხაფანგშია ჩაჭედილი და ენერგიულ ნაწილაკთა უმეტესობის „ასაორთქლებლად“ გამოიყენება რადიოსიხშირული რადიაცია; შედეგად რჩება ცივი, ზოზინა ნაწილაკები, რომლებიც კონდენსატს წარმოქმნიან.

ცივი ატომების ლაბორატორია

მას შემდეგ, რაც ეს მოხდება, ხაფანგს თიშავენ და მეცნიერებს ექსპერიმენტების ჩატარებაც შეუძლიათ. თუმცა, უნდა იმოქმედონ სწრაფად, რადგან ატომებს შორის ბუნებრივი რეპულსიური ძალა ღრუბელს აფართოებს და ფანტავს. გრავიტაციის გამო ეს პროცესი საკმაოდ სწრაფად ხდება, მხოლოდ მილიწამის რამდენიმე მეათედში.

როდესაც გრავიტაციის ეფექტებს თავისუფალ ვარდნა ეწინააღმდეგება, შესაძლებელია გაკეთდეს ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი, რომელიც წამის განმავლობაში ძლებს.

გარდა ამისა, გრავიტაციის გავლენის შემცირება ნიშნავს იმას, რომ კონდენსატი შეიძლება წარმოიქმნას ბრტყელ თეფშზე. ეს კი მკვლევრებს ღრუბელზე უკეთესად დაკვირვების საშუალებას აძლევს წარმოქმნამდე და გაუჩინარების შემდეგაც.

სწორედ ეს შეძლეს მკვლევრებმა ცივი ატომების ლაბორატორიაში, მაგრამ როდესაც მათ მიერ შექმნილ კონდენსატებს აკვირდებოდნენ, აღმოაჩინეს ეფექტები, რომლებიც დედამიწის გრავიტაციის გარემოში ვერ მოხდება.

„აღმოვაჩინეთ, რომ რადიოსიხშირით გამოწვეული აორთქლებადი გაციება მიკროგრავიტაციაში აშკარად განსხვავებულ შედეგებს გვთავაზობს“, — წერენ მკვლევრები.

მათი განცხადებით, ისინი ატომების რაოდენობაში ორბიტული ზრდა თითქმის სამჯერ გაიზარდა. ცვალებადი მაგნიტური ველის გრადიენტების გამოყენებით კი დამტკიცდა, რომ ატომების დაახლოებით ნახევარი არის მაგნიტურად შეუგრძნობად გარემოში (|2, 0⟩) და წარმოქმნიან ჰალოს მსგავს ღრუბელს მაგნიტური ხაფანგის გარშემო.

დედამიწაზე გრავიტაცია ამ ატომებზე მოქმედი დომინანტი ძალაა, რომელიც მათ ხაფანგიდან აგდებს.

კოსმოსში კონდენსატის უფრო ახლოდან დაკვირვებამ გამოავლინა, რომ რუბიდიუმის შეუბოჭავ ატომთა ჰალო ღრუბლის კიდეების გარშემო ლივლივებს. მასალის გაციების მეთოდის წყალობით, ეს ატომები მაგნიტურ ხაფანგს ძალიან მცირედ ყურადღებას აქცევენ.

როგორც წესი, გრავიტაცია მათ განზე უნდა აკავებდეს, ყოველ შემთხვევაში დედამიწაზე მაინც. თუმცა, თავისუფალ ვარდნაში ისინი ეკიდებიან და წარმოქმნიან სამომავლო კვლევებისთვის პოტენციურად გამოსადეგ ულტრაცივ რესურსს.

ცივი, შედარებით დიდხანს გამძლე ბოზე-აინშტაინის კონდენსატების შექმნის შესაძლებლობა ასევე ნიშნავს იმას, რომ შეგვიძლია დავიწყოთ ფიქრი მათი შესწავლის სხვა გზებზე. მაგალითად, შეიძლება შეიქმნას დედამიწაზე შეუძლებელი ფორმის ხაფანგები იმის სანახავად, შესაძლებელია თუ არა განსხვავებულ კვანტურ ქცევებზე დაკვირვება.

ბოზე-აინშტაინის კონდენსატის ტალღური მახასიათებლები პოტენციურად ასევე გამოსადეგია ატომური ინტერფერომეტრებისთვის, რომელთა გამოყენებაც შესაძლებელია ფუნდამენტური ფიზიკური მუდმივების გასაზომად.

„დედამიწის დაბალ ორბიტაზე განთავსებული ცივი ატომების ლაბორატორიის საბაზისო შესაძლებლობების გამოყენებით, მოვახდინეთ ულტრაცივი ატომური ექსპერიმენტეისთვის მიკროგრავიტაციის დაუყოვნებლივი და ფუნდამენტური ბენეფიტების დემონსტრაცია. ეს ექსპერიმენტები საკმაოდ კარგი სტარტია სამომავლო სამეცნიერო ოპერაციებისთვის“, — წერენ მკვლევრები.

კვლევა ჟურნალ Nature-ში გამოქვეყნდა.

მომზადებულია ScienceAlert-ის მიხედვით.

დატოვე კომენტარი