آزمایشگاه اتم سرد ناسا؛ پنجره ای تازه به کوانتوم در مدار

جعبه‌ای به اندازه یک یخچال کوچک که بالای زمین شناور است، بی‌سروصدا نگاه ما به ماده را دگرگون می‌کند. درون آن، اتم‌ها تا دماهایی چنان پایین سرد می‌شوند که دیگر مانند توپ‌های کوچک بیلیارد رفتار نمی‌کنند و در عوض به شکل موج درمی‌آیند؛ موج‌هایی بزرگ و قابل اندازه‌گیری که قوانین کوانتومی را آشکار می‌کنند، قوانینی که روی سیاره خودمان به ندرت می‌توانیم آن‌ها را ببینیم.

این جعبه همان آزمایشگاه اتم سرد ناسا است که به تازگی ارتقا یافته و اکنون روی ایستگاه فضایی بین‌المللی فعال است. فضانوردان در بهار امسال تازه‌ترین سخت‌افزار آن را نصب کردند و دانشمندان استفاده از ریزگرانش ایستگاه را برای گسترش پدیده‌های کوانتومی در زمان و فضا آغاز کرده‌اند. این تغییر فقط یک بهبود جزئی نیست. چنین امکانی به پژوهشگران اجازه می‌دهد آزمایش‌هایی انجام دهند که در آزمایشگاه‌های زمینی اساسا شدنی نیستند.

«فوق‌سرد» یعنی تا چه حد سرد؟ این آزمایشگاه ابرهایی از روبیدیوم یا پتاسیم را تا دماهایی اندکی بالاتر از صفر مطلق سرد می‌کند؛ یعنی پایین‌تر از حدود منفی ۴۵۹ درجه فارنهایت، معادل منفی ۲۳۷ درجه سانتی‌گراد. دستور کار به شکلی عجیب یادآور یک فرایند خانگی است: نواری فلزی گرم می‌شود تا گاز تولید کند، سپس لیزرهایی با فرکانس‌های دقیق به سمت اتم‌ها نشانه می‌روند تا آن‌ها را کند کنند تا جایی که تقریبا از حرکت بازبمانند. تله‌های مغناطیسی و روش‌های خنک‌سازی تکمیلی این مهار را دقیق‌تر می‌کنند. نتیجه نهایی، چگالش بوز-اینشتین است: یک جسم کوانتومی که به اندازه کافی بزرگ است تا با ابزارها دیده شود، اما همچنان از قواعد موجی پیروی می‌کند؛ قواعدی که به ذرات اجازه می‌دهند روی هم بیفتند و هماهنگ عمل کنند.

در مدار، این ابرهای فوق‌سرد بزرگ‌تر می‌شوند و برای زمانی بسیار طولانی‌تر از زمین قابل مشاهده‌اند؛ امکانی که پنجره‌ای تازه به رفتار کوانتومی می‌گشاید.

چرا ریزگرانش اهمیت دارد؟ روی زمین، گرانش در چند میلی‌ثانیه ابر اتمی را از هم می‌کشد یا آن را از ناحیه آزمایش بیرون می‌برد. اما در ایستگاه فضایی، این موج‌های ماده می‌توانند بدون کشش دائمی گرانش گسترش یابند و برهم‌کنش داشته باشند، بنابراین آزمایش‌ها از نظر مدت زمان و حساسیت پیشرفت چشمگیری پیدا می‌کنند. پژوهشگران می‌توانند اثرهای ظریف گرانش، زمان و حرکت را با دقتی بررسی کنند که روی زمین عملی نیست. به بیان دیگر، محیط فضا آزمایشگاه اتم سرد را به ابزاری دقیق برای فیزیک بنیادی و حسگری کاربردی تبدیل می‌کند.

این تازه‌ترین ارتقا، چهارمین به‌روزرسانی از زمان ورود این سامانه در سال ۲۰۱۸ است و شامل یک تله مغناطیسی بازطراحی‌شده می‌شود که به دانشمندان امکان می‌دهد ابرهای گاز کوانتومی را بر اساس نیاز آزمایش تغییر شکل دهند. همچنین منابع فلزی بهبودیافته‌ای برای تولید گازهای اتمی در آن به کار رفته است. این تغییرات دامنه آزمایش‌هایی را که گروه‌های پژوهشی می‌توانند انجام دهند گسترش می‌دهد و کنترل لازم برای نسل آینده ابزارهای کوانتومی فضایی را دقیق‌تر می‌کند؛ ابزارهایی مانند تداخل‌سنج‌های موج ماده برای ناوبری، زمان‌سنجی و حسگری گرانش در اطراف زمین و ماه.

این آزمایشگاه فشرده است، از زمین کنترل می‌شود و از چندین گروه پژوهشی بین‌المللی پشتیبانی می‌کند که در حال بررسی فیزیک بنیادی و فناوری‌های نوپای کوانتومی هستند. آزمایشگاه اتم سرد که توسط آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا ساخته و اداره می‌شود و مدیریت آن بر عهده کلتک است، با بودجه بخش علوم زیستی و فیزیکی ناسا فعالیت می‌کند. موفقیت آن در ایجاد چگالش بوز-اینشتین در مدار یک نقطه عطف است: این دستاورد نشان می‌دهد سامانه‌های کوانتومی می‌توانند فراتر از سیاره ما نیز به شکلی پایدار و قابل اعتماد کار کنند.

پس گام بعدی چیست؟ می‌توان این مرحله را آغاز فصل میدانی فناوری کوانتومی دانست. آزمایش‌هایی که اکنون انجام می‌شوند به شکل‌گیری دستگاه‌هایی کمک خواهند کرد که بدون جی‌پی‌اس ناوبری می‌کنند، ساختارهای زیرزمینی را حس می‌کنند یا مدل‌های گرانش را به شیوه‌هایی می‌آزمایند که یک دهه پیش فقط در حد رویا بود. این آزمایشگاه شاید کوچک باشد، اما دامنه اثرگذاری آن بسیار گسترده است و نتیجه شگفت‌انگیز بعدی ممکن است در هر گردش مداری از راه برسد.