수십 년의 지속적인 연구에도 불구하고 과학자들은 우주의 네 가지 기본 힘이 어떻게 조화를 이루고 있는지 이해하려고 노력하고 있습니다. 양자 역학은이 세 가지 힘이 가장 작은 규모 (전자기, 약하고 강한 핵력)에서 함께 작용하는 방법을 설명 할 수있는 반면, 일반 상대성 이론은 물체가 가장 큰 규모 (즉, 중력)에서 어떻게 동작하는지 설명합니다. 이와 관련하여, 중력은 홀드 아웃으로 남아 있습니다.
가장 작은 규모의 중력이 물질과 어떻게 상호 작용하는지 이해하기 위해 과학자들은 진정한 최첨단 실험을 개발했습니다. 이 중 하나는 ISS에 위치한 NASA의 CAL (Cold Atom Laboratory)이며, 최근 BEC (Bose-Einstein condensates)로 알려진 원자 구름을 만들어 이정표를 달성했습니다. BEC가 궤도에서 처음으로 만들어졌으며 물리 법칙을 조사 할 수있는 새로운 기회를 제공합니다.
원래 71 년 전 Satyendra Nath Bose와 Albert Einstein에 의해 예측 된 BEC는 본질적으로 절대 영점 바로 위의 온도에 도달하는 초저온 원자로, 원자가 완전히 움직이지 않아야하는 지점입니다 (이론상). 이 입자는 수명이 길고 정확하게 제어되므로 양자 현상을 연구하기에 이상적인 플랫폼입니다.
이것이 CAL 시설의 목적이며, 이는 중력 환경에서 초 냉각 양자 가스를 연구하는 것입니다. 이 실험실은 5 월 말 ISS에 탑승 한 US Science Lab에 설치되었으며 우주 최초의 실험실입니다. 과학자는 중력의 정밀한 측정을 수행하고 가장 작은 규모로 물질과 상호 작용하는 방법을 연구 할 수있는 능력을 향상 시키도록 설계되었습니다.
NASA 제트 추진 연구소의 CAL 프로젝트 과학자이자 물리학자인 로버트 톰슨 (Robert Thompson)은 최근 보도 자료에서 다음과 같이 설명했다.
“우주 정거장에서 BEC 실험을하는 것은 꿈이 실현됩니다. 우리가이 시설과 관련하여 할 수있는 일이 너무 많기 때문에 여기까지 가기에는 길고 힘든 길이지만, 그만한 가치가 있습니다. "
약 2 주 전에 CAL 과학자들은이 시설이 알칼리 그룹의 연한 은백색 금속 원소 인 루비듐 원자로부터 BEC를 생산했음을 확인했습니다. 그들의 보고서에 따르면, 그들은 절대 영점 (-273 ° C; -459 ° F)보다 천만 백만의 천만 백만의 낮은 온도에 도달했다. 이것은 공간의 평균 온도보다 약 3K (-270 ° C; -454 ° F) 더 춥습니다.
독특한 행동으로 인해 BEC는 가스, 액체, 고체 및 플라즈마와는 별개의 다섯 번째 물질 상태로 특성화됩니다. BEC에서 원자는 거시적 규모의 입자보다 파동과 유사하게 작용하는 반면,이 거동은 일반적으로 미세한 규모에서만 관찰 할 수 있습니다. 또한 원자는 모두 가장 낮은 에너지 상태를 가정하고 동일한 파동 정체성을 취하므로 서로 구별 할 수 없습니다.
요컨대, 원자 구름은 개별 원자가 아닌 단일“슈퍼 원자”처럼 행동하기 시작하여 연구하기가 더 쉽습니다. 최초의 BEC는 1995 년 실험실에서 Eric Cornell, Carl Wieman 및 Wolfgang Ketterle로 구성되어 있으며 2001 년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그 이후로, 지구에서 수백 개의 BEC 실험이 수행되었으며, 일부는 소리가 나는 로켓을 타고 우주로 보내졌습니다.
그러나 CAL 시설은 과학자들이 오랜 기간 동안 매일 연구를 수행 할 수있는 ISS 최초의 시설이라는 점에서 독특합니다. 이 시설은 두 개의 표준화 된 컨테이너로 구성되어 있으며 더 큰 "쿼드 로커"와 더 작은 "싱글 로커"로 구성됩니다. 쿼드 사물함에는 CAL의 초소형 원자 구름이 생성되는 구획 인 CAL의 물리 패키지가 포함되어 있습니다.
자기장 또는 초점 레이저를 사용하여 "아톰 트랩"이라고하는 마찰없는 용기를 만듭니다. 원자 구름이 원자 트랩 내부에서 압축이 풀리면서 온도가 자연적으로 떨어지면서 트랩에 남아있는 시간이 길어집니다. 지구상에서 이러한 트랩이 꺼지면 중력으로 인해 원자가 다시 움직이기 시작합니다. 즉, 몇 초 동안 만 연구 할 수 있습니다.
미세 중력 환경 인 ISS에 탑승하면 BEC는 지구상의 어떤 기기보다 더 낮은 온도로 압축을 풀 수 있으며 과학자들은 한 번에 5-10 초 동안 개별 BEC를 관찰하고 하루에 최대 6 시간 동안 이러한 측정을 반복 할 수 있습니다. 또한이 시설은 JPL의 지구 궤도 임무 작전 센터에서 원격으로 제어되므로 일상적인 작전은 우주 정거장에서 우주 비행사의 개입이 필요하지 않습니다.
JPL의 천문학과 물리학 책임자 인 로버트 샷웰 (Robert Shotwell)은 2017 년 2 월부터이 프로젝트를 감독했다. 최근 NASA 보도 자료에서 알 수 있듯이 :
“CAL은 매우 복잡한 도구입니다. 일반적으로 BEC 실험에는 방을 채우고 과학자들이 거의 일정한 모니터링을 필요로하는 충분한 장비가 필요하지만 CAL은 소형 냉장고 크기에 불과하며 지구에서 원격으로 작동 할 수 있습니다. 오늘날 우주 정거장에서 운영되는 정교한 시설을 생산하는 데 필요한 모든 장애물을 극복하기 위해서는 많은 노력이 필요했습니다.”
CAL 과학자들은 앞으로 더 나아가 지구상에서 달성되는 것보다 더 낮은 온도를 달성하기를 원합니다. CAL 팀은 루비듐 외에도 칼륨 원자의 두 가지 동위 원소를 사용하여 BECS를 만드는 데 노력하고 있습니다. 현재 CAL은 아직 시운전 단계에 있으며, 운영 팀은 CAL 시설이 어떻게 미세 중력에서 어떻게 작동하는지에 대한 일련의 테스트를 수행합니다.
그러나 일단 가동되면 Cornell 및 Ketterle이 이끄는 그룹을 포함하여 5 개의 과학 그룹이 첫 해 동안 시설에서 실험을 수행 할 것입니다. 과학 단계는 9 월 초에 시작되어 3 년 동안 지속될 예정입니다. CPL의 JPL 임무 관리자 인 Kamal Oudrhiri는 다음과 같이 말합니다.
“이 시설을 사용할 준비가되어 있고 흥분된 지구촌 과학자 팀이 있습니다. 그들이 수행 할 다양한 실험 범위는 과학 운영을 시작하기 위해 기기를 주요 연구자에게 넘기기 전에 미세 중력에 적응해야 할 원자를 조작하고 냉각시키는 많은 기술이 있다는 것을 의미합니다.”
주어진 CAL (Cold Atom Lab)은 과학자들이 가장 작은 규모에서 중력이 어떻게 작용하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. CERN 및 전 세계의 다른 입자 물리학 실험실에서 수행 한 고 에너지 실험과 결합하여 결국 모든 이론 (ToE)과 우주 작동 방식에 대한 완전한 이해로 이어질 수 있습니다.
NASA가 제공 한 CAL 시설의 멋진 비디오 (말장난 없음)도 확인하십시오.
