Nonostante decenni di ricerche in corso, gli scienziati stanno cercando di capire come le quattro forze fondamentali dell'Universo si incastrano. Mentre la meccanica quantistica può spiegare come tre di queste forze lavorano insieme sulla più piccola scala (elettromagnetismo, forze nucleari deboli e forti), la Relatività generale spiega come le cose si comportano sulla più grande scala (cioè la gravità). Da questo punto di vista, la gravità rimane la riserva.
Per capire come la gravità interagisce con la materia sulla più piccola scala, gli scienziati hanno sviluppato alcuni esperimenti davvero all'avanguardia. Uno di questi è il Cold Atom Laboratory (CAL) della NASA, situato a bordo della ISS, che ha recentemente raggiunto un traguardo creando nuvole di atomi noti come condensati di Bose-Einstein (BEC). Questa è stata la prima volta che i BEC sono stati creati in orbita e offre nuove opportunità per sondare le leggi della fisica.
Originariamente previsto da Satyendra Nath Bose e Albert Einstein 71 anni fa, i BEC sono essenzialmente atomi ultrafreddi che raggiungono temperature appena sopra lo zero assoluto, il punto in cui gli atomi dovrebbero smettere di muoversi completamente (in teoria). Queste particelle sono di lunga durata e controllate con precisione, il che le rende la piattaforma ideale per lo studio dei fenomeni quantistici.
Questo è lo scopo della funzione CAL, che è di studiare gas quantici ultrafreddi in un ambiente di microgravità. Il laboratorio è stato installato nello US Science Lab a bordo della ISS a fine maggio ed è il primo del suo genere nello spazio. È progettato per far progredire la capacità degli scienziati di effettuare misurazioni di precisione della gravità e studiare come interagisce con la materia su scale più piccole.
Come ha spiegato Robert Thompson, scienziato del progetto CAL e fisico del Jet Propulsion Laboratory della NASA, in un recente comunicato stampa:
“Avere un esperimento BEC operante sulla stazione spaziale è un sogno diventato realtà. È stata una strada lunga e difficile per arrivare qui, ma ne è valsa la pena, perché ci sono così tante cose che potremo fare con questa struttura ".
Circa due settimane fa, gli scienziati CAL hanno confermato che la struttura aveva prodotto BEC da atomi di rubidio - un elemento metallico bianco argenteo morbido nel gruppo alcalino. Secondo il loro rapporto, avevano raggiunto temperature fino a 100 nano Kelvin, uno-dieci milioni di un Kelvin sopra lo zero assoluto (-273 ° C; -459 ° F). Questo è circa 3 K (-270 ° C; -454 ° F) più freddo della temperatura media dello spazio.
A causa del loro comportamento unico, i BEC sono caratterizzati come un quinto stato della materia, distinto da gas, liquidi, solidi e plasma. Nei BEC, gli atomi agiscono più come onde che particelle su scala macroscopica, mentre questo comportamento è di solito osservabile solo su scala microscopica. Inoltre, tutti gli atomi assumono il loro stato di energia più basso e assumono la stessa identità d'onda, rendendoli indistinguibili l'uno dall'altro.
In breve, le nuvole atomiche iniziano a comportarsi come un singolo "superatomo" anziché come singoli atomi, il che li rende più facili da studiare. I primi BEC sono stati prodotti in un laboratorio nel 1995 da un team scientifico composto da Eric Cornell, Carl Wieman e Wolfgang Ketterle, che hanno condiviso il Premio Nobel per la fisica del 2001 per i loro risultati. Da quel momento, centinaia di esperimenti BEC sono stati condotti sulla Terra e alcuni sono stati persino inviati nello spazio a bordo di missili che suonano.
Ma la struttura CAL è unica in quanto è la prima nel suo genere sulla ISS, dove gli scienziati possono condurre studi quotidiani per lunghi periodi. La struttura è composta da due contenitori standardizzati, che consistono nel più grande "quad locker" e nel più piccolo "single locker". Il quad locker contiene il pacchetto fisico di CAL, il compartimento in cui CAL produrrà nuvole di atomi ultra-freddi.
Questo viene fatto utilizzando campi magnetici o laser focalizzati per creare contenitori senza attrito noti come "trappole atomiche". Quando la nuvola atomica si decomprime all'interno della trappola atomica, la sua temperatura diminuisce naturalmente, diventando più fredda più a lungo rimane nella trappola. Sulla Terra, quando queste trappole vengono disattivate, la gravità fa ricominciare a muovere gli atomi, il che significa che possono essere studiati solo per frazioni di secondo.
A bordo della ISS, che è un ambiente di microgravità, i BEC possono decomprimere a temperature più fredde rispetto a qualsiasi altro strumento sulla Terra e gli scienziati sono in grado di osservare i singoli BEC per cinque-dieci secondi alla volta e ripetere queste misurazioni per un massimo di sei ore al giorno. E poiché la struttura è controllata a distanza dal centro operativo di missioni orbitanti terrestri presso JPL, le operazioni quotidiane non richiedono alcun intervento da parte degli astronauti a bordo della stazione.
Robert Shotwell, ingegnere capo della direzione di astronomia e fisica di JPL, ha supervisionato il progetto da febbraio 2017. Come ha indicato in un recente comunicato stampa della NASA:
“CAL è uno strumento estremamente complicato. In genere, gli esperimenti BEC coinvolgono abbastanza attrezzature per riempire una stanza e richiedono un monitoraggio pressoché costante da parte degli scienziati, mentre la CAL ha le dimensioni di un piccolo frigorifero e può essere gestita a distanza dalla Terra. È stata una lotta e ha richiesto notevoli sforzi per superare tutti gli ostacoli necessari per produrre la sofisticata struttura che opera oggi sulla stazione spaziale ".
Guardando al futuro, gli scienziati CAL vogliono spingersi oltre e raggiungere temperature inferiori a qualsiasi altra cosa sulla Terra. Oltre al rubidio, il team CAL sta anche lavorando per produrre BECS usando due diversi isotopi di atomi di potassio. Al momento, CAL è ancora in una fase di messa in servizio, che consiste nel team operativo che conduce una lunga serie di test per vedere come la struttura CAL funzionerà in microgravità.
Tuttavia, una volta installato e funzionante, cinque gruppi scientifici - compresi i gruppi guidati da Cornell e Ketterle - condurranno esperimenti presso la struttura durante il suo primo anno. La fase scientifica dovrebbe iniziare all'inizio di settembre e durerà tre anni. Come ha affermato Kamal Oudrhiri, responsabile della missione di JPL per CAL:
“Esiste un team di scienziati su scala globale pronti ed entusiasti di utilizzare questa struttura. La vasta gamma di esperimenti che prevedono di eseguire significa che ci sono molte tecniche per manipolare e raffreddare gli atomi che dobbiamo adattare per la microgravità, prima di consegnare lo strumento ai principali investigatori per iniziare le operazioni scientifiche. "
Dato il tempo, il Cold Atom Lab (CAL) può aiutare gli scienziati a capire come la gravità funziona sulla scala più piccola. Combinato con esperimenti ad alta energia condotti dal CERN e da altri laboratori di fisica delle particelle in tutto il mondo, questo potrebbe alla fine portare a una Teoria di tutto (ToE) e una completa comprensione di come funziona l'Universo.
E assicurati di dare un'occhiata a questo fantastico video (niente gioco di parole!) Della struttura CAL, per gentile concessione della NASA:
