in 2018, er zal een nieuwe atomaire koelkast ontploffen voor het ruimtestation. Het heet het Cold Atom Lab (CAL), en het kan materie tot een tien miljardste van een graad boven het absolute nulpunt koelen, net boven het punt waar alle thermische activiteit van atomen theoretisch stopt.

"Bij deze temperatuur atomen verliezen hun energie en beginnen heel langzaam te bewegen, " legt Rob Thompson uit, CAL-projectwetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL). "Op kamertemperatuur, atomen kaatsen in alle richtingen met een paar honderd meter per seconde op elkaar af. Maar in CAL vertragen ze een miljoen keer en condenseren ze in unieke toestanden van kwantummaterie."

CAL is een faciliteit voor meerdere gebruikers die veel onderzoekers ondersteunt bij het bestuderen van een breed scala aan onderwerpen.

Eric Cornel, een natuurkundige aan de Universiteit van Colorado en het National Institute of Standards and Technology, zal een van de eerste CAL-experimenten leiden. Cornell en zijn team zullen CAL gebruiken om deeltjesbotsingen te onderzoeken en hoe deeltjes met elkaar interageren. Ultrakoude gassen geproduceerd door het Cold Atom Lab kunnen moleculen bevatten met elk drie atomen, maar die duizend keer groter zijn dan een typisch molecuul. Dit resulteert in een lage dichtheid, "pluizig" molecuul dat snel uit elkaar valt, tenzij het extreem koud wordt gehouden. Hoe wordt het gedrag van deeltjes beïnvloed als er meer deeltjes worden geïntroduceerd? Wat kan er worden geleerd over kwantumobjecten wanneer verschillende atomen tegelijkertijd op elkaar inwerken?

Cornell zegt, "De manier waarop atomen zich in deze toestand gedragen, wordt erg complex, verrassend en contra-intuïtief, en daarom doen we dit."

Cornell deelde in 2001 de Nobelprijs voor natuurkunde voor het maken van Bose-Einstein-condensaten - een andere staat van kwantummaterie die binnen CAL kan worden bestudeerd.

Bose-Einstein-condensaten zijn in wezen klodders kwantummaterie die eruitzien en zich gedragen als golven die bestaan ​​bij deze ultrakoude temperaturen. In de vrije val van de ruimte, de condensaten kunnen hun golfachtige vorm vijf tot tien seconden vasthouden - veel langer dan op aarde - en bieden onderzoekers een venster op het kwantumrijk.

Thompson zegt, "We kunnen CAL gebruiken om de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica te testen. Een van de grootste vragen in de natuurkunde van vandaag is hoe die twee samenwerken."

Universiteit van Rochester natuurkundige Nick Bigelow, en University of Berkeley, wetenschapper Holger Müller, zijn samen met hun collega's van plan om CAL te gebruiken om een ​​hoeksteen van Einsteins relativiteitstheorie te testen - het equivalentieprincipe, die stelt dat zwaartekracht en externe versnelling niet experimenteel kunnen worden onderscheiden. Ze zijn van plan het iconische experiment van Galileo te herhalen door kanonskogels van de scheve toren van Pisa te laten vallen. maar in plaats daarvan atomen gebruiken. Door atomen in CAL te laten vallen en ze enkele seconden te laten vallen terwijl het station in een baan om de aarde draait, kunnen onderzoekers precies de verschillen achterhalen tussen hoe de atomen versnellen. Dit experiment kan onthullen hoe zwaartekracht en ruimte-tijd door het kwantumrijk zijn verweven.

Een onderzoeker bij JPL genaamd Jason Williams is ook van plan om ultrakoude twee-atoommoleculen te gebruiken om hulpmiddelen te ontwikkelen voor de volgende generatie precisie-zwaartekrachttests met kwantumgassen.

Er zijn nog veel meer experimenten gepland voor dit "coole" nieuwe laboratorium - en niemand weet waar ze toe zullen leiden. "Met KAL, " zegt Thompson, "We gaan het onbekende binnen."