Walaupun selama beberapa dekad penyelidikan berterusan, para saintis berusaha memahami bagaimana empat kekuatan asas Alam Semesta saling bersatu. Walaupun mekanik kuantum dapat menjelaskan bagaimana tiga kekuatan ini berfungsi bersama-sama pada skala terkecil (elektromagnetisme, daya nuklear yang lemah dan kuat), Relativiti Umum menjelaskan bagaimana sesuatu bertindak pada skala terbesar (iaitu graviti). Dalam hal ini, graviti tetap menjadi tumpuan.
Untuk memahami bagaimana graviti berinteraksi dengan bahan pada skala terkecil, saintis telah membuat beberapa eksperimen mutakhir. Salah satunya adalah Laboratorium Atom Dingin (CAL) NASA, yang terletak di atas ISS, yang baru-baru ini mencapai kejayaan dengan mencipta awan atom yang dikenali sebagai Bose-Einstein condensates (BEC). Ini adalah pertama kalinya BEC dibuat di orbit, dan menawarkan peluang baru untuk menyelidiki hukum fisika.
Asalnya diramalkan oleh Satyendra Nath Bose dan Albert Einstein 71 tahun yang lalu, BEC pada dasarnya adalah atom ultracold yang mencapai suhu tepat di atas sifar mutlak, titik di mana atom harus berhenti bergerak sepenuhnya (secara teori). Zarah-zarah ini tahan lama dan dikawal dengan tepat, yang menjadikannya platform yang ideal untuk mengkaji fenomena kuantum.
Ini adalah tujuan kemudahan CAL, untuk mengkaji gas kuantum ultrasold dalam lingkungan mikrograviti. Makmal itu dipasang di Makmal Sains AS di atas ISS pada akhir Mei dan merupakan yang pertama seumpamanya di angkasa. Ia dirancang untuk meningkatkan kemampuan saintis untuk membuat pengukuran graviti yang tepat dan mengkaji bagaimana ia berinteraksi dengan bahan pada skala terkecil.
Seperti yang dijelaskan oleh Robert Thompson, saintis projek CAL dan ahli fizik di Makmal Jet Propulsion NASA dalam siaran akhbar baru-baru ini:
"Menjalankan eksperimen BEC di stesen angkasa adalah impian yang menjadi kenyataan. Jalan yang panjang dan sukar untuk sampai ke sini, tetapi sepadan dengan perjuangan, kerana ada banyak yang dapat kita lakukan dengan kemudahan ini. "
Kira-kira dua minggu yang lalu, saintis CAL mengesahkan bahawa kemudahan itu telah menghasilkan BEC dari atom rubidium - unsur logam lembut putih keperakan dalam kumpulan alkali. Menurut laporan mereka, mereka telah mencapai suhu serendah 100 nanoKelvin, satu-sepuluh juta satu Kelvin di atas sifar mutlak (-273 ° C; -459 ° F). Ini kira-kira 3 K (-270 ° C; -454 ° F) lebih sejuk daripada suhu purata ruang.
Kerana tingkah laku yang unik, BEC dicirikan sebagai keadaan jurang kelima, berbeza dengan gas, cecair, pepejal dan plasma. Dalam BEC, atom bertindak lebih seperti gelombang daripada zarah pada skala makroskopik, sedangkan tingkah laku ini biasanya hanya dapat dilihat pada skala mikroskopik. Sebagai tambahan, semua atom menganggap keadaan tenaga terendah mereka dan mengambil identiti gelombang yang sama, menjadikannya tidak dapat dibezakan antara satu sama lain.
Ringkasnya, awan atom mulai berperilaku seperti "atom super" tunggal daripada atom individu, yang menjadikannya lebih mudah untuk dipelajari. BEC pertama dihasilkan di makmal pada tahun 1995 oleh pasukan sains yang terdiri daripada Eric Cornell, Carl Wieman dan Wolfgang Ketterle, yang berkongsi Hadiah Nobel Fizik 2001 atas pencapaian mereka. Sejak masa itu, beratus-ratus eksperimen BEC telah dilakukan di Bumi dan beberapa bahkan telah dihantar ke angkasa di atas roket-roket yang berbunyi.
Tetapi kemudahan CAL unik kerana ia adalah yang pertama seumpamanya di ISS, di mana para saintis dapat melakukan kajian harian dalam jangka masa yang panjang. Kemudahan ini terdiri daripada dua kontena standard, yang terdiri daripada "quad locker" yang lebih besar dan "loker tunggal" yang lebih kecil. Quad locker mengandungi pakej fizik CAL, petak di mana CAL akan menghasilkan awan atom ultra sejuk.
Ini dilakukan dengan menggunakan medan magnet atau laser fokus untuk membuat bekas tanpa geseran yang dikenali sebagai "perangkap atom". Apabila awan atom menyahmampatkan di dalam perangkap atom, suhunya secara semula jadi turun, semakin sejuk semakin lama ia kekal di dalam perangkap. Di Bumi, apabila perangkap ini dimatikan, graviti menyebabkan atom mula bergerak lagi, yang bermaksud ia hanya dapat dipelajari untuk pecahan sesaat.
Di luar ISS, yang merupakan lingkungan mikrograviti, BEC dapat menyahmampat hingga suhu lebih sejuk daripada dengan instrumen apa pun di Bumi dan para saintis dapat memerhatikan BEC individu selama lima hingga sepuluh saat pada satu masa dan mengulangi pengukuran ini hingga enam jam sehari. Dan kerana kemudahan tersebut dikendalikan dari jarak jauh dari Pusat Operasi Misi Mengorbit Bumi di JPL, operasi sehari-hari tidak memerlukan campur tangan dari angkasawan di stesen.
Robert Shotwell, ketua jurutera astronomi dan direktorat fizik JPL, telah mengawasi projek itu sejak Februari 2017. Seperti yang ditunjukkannya dalam siaran akhbar NASA baru-baru ini:
"CAL adalah instrumen yang sangat rumit. Biasanya, eksperimen BEC melibatkan peralatan yang cukup untuk mengisi bilik dan memerlukan pemantauan hampir berterusan oleh para saintis, sedangkan CAL adalah kira-kira seukuran peti sejuk kecil dan dapat dikendalikan dari jarak jauh dari Bumi. Ini adalah perjuangan dan memerlukan usaha yang besar untuk mengatasi semua rintangan yang diperlukan untuk menghasilkan kemudahan canggih yang beroperasi di stesen angkasa hari ini. "
Ke depan, para saintis CAL ingin melangkah lebih jauh dan mencapai suhu yang lebih rendah daripada apa yang dicapai di Bumi. Selain rubidium, pasukan CAL juga berusaha untuk membuat BECS menggunakan dua isotop atom kalium yang berbeza. Pada masa ini, CAL masih dalam fasa pentauliahan, yang terdiri dari pasukan operasi yang melakukan serangkaian ujian yang panjang untuk melihat bagaimana kemudahan CAL akan beroperasi dalam mikrogravitasi.
Namun, setelah ia berjalan, lima kumpulan sains - termasuk kumpulan yang diketuai oleh Cornell dan Ketterle - akan melakukan eksperimen di kemudahan itu pada tahun pertama. Fasa sains dijangka bermula pada awal September dan akan berlangsung selama tiga tahun. Sebagai Kamal Oudrhiri, pengurus misi JPL untuk CAL, meletakkannya:
"Ada pasukan saintis di seluruh dunia yang bersedia dan bersemangat untuk menggunakan kemudahan ini. Berbagai eksperimen yang mereka rencanakan untuk dilakukan bermaksud ada banyak teknik untuk memanipulasi dan menyejukkan atom yang perlu kita sesuaikan untuk mikrogravitasi, sebelum kita menyerahkan instrumen tersebut kepada penyelidik utama untuk memulai operasi sains. "
Dengan mengambil masa, Makmal Atom Sejuk (CAL) dapat membantu para saintis untuk memahami bagaimana graviti berfungsi pada skala terkecil. Dikombinasikan dengan eksperimen tenaga tinggi yang dilakukan oleh CERN dan makmal fizik partikel lain di seluruh dunia, ini akhirnya dapat membawa kepada Teori Segala-galanya (ToE) dan pemahaman lengkap tentang bagaimana Alam Semesta berfungsi.
Dan pastikan untuk melihat video hebat (tidak ada!) Kemudahan CAL ini juga, milik NASA:
