A pesar de décadas de investigación en curso, los científicos están tratando de entender cómo las cuatro fuerzas fundamentales del Universo se unen. Mientras que la mecánica cuántica puede explicar cómo tres de estas fuerzas funcionan juntas en las escalas más pequeñas (electromagnetismo, fuerzas nucleares débiles y fuertes), la Relatividad general explica cómo se comportan las cosas en las escalas más grandes (es decir, la gravedad). A este respecto, la gravedad sigue siendo la resistencia.
Para comprender cómo interactúa la gravedad con la materia en las escalas más pequeñas, los científicos han desarrollado algunos experimentos verdaderamente innovadores. Uno de ellos es el Cold Atom Laboratory (CAL) de la NASA, ubicado a bordo de la ISS, que recientemente logró un hito al crear nubes de átomos conocidos como condensados de Bose-Einstein (BEC). Esta fue la primera vez que se crearon BEC en órbita, y ofrece nuevas oportunidades para investigar las leyes de la física.
Originalmente predicho por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein hace 71 años, los BEC son esencialmente átomos ultrafríos que alcanzan temperaturas justo por encima del cero absoluto, el punto en el que los átomos deberían dejar de moverse por completo (en teoría). Estas partículas son duraderas y controladas con precisión, lo que las convierte en la plataforma ideal para estudiar fenómenos cuánticos.
Este es el propósito de la instalación de CAL, que es estudiar los gases cuánticos ultrafríos en un entorno de microgravedad. El laboratorio se instaló en el Laboratorio de Ciencias de EE. UU. A bordo de la EEI a fines de mayo y es el primero de su tipo en el espacio. Está diseñado para mejorar la capacidad de los científicos para realizar mediciones precisas de la gravedad y estudiar cómo interactúa con la materia en las escalas más pequeñas.
Como Robert Thompson, científico del proyecto CAL y físico del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, explicó en un reciente comunicado de prensa:
“Tener un experimento BEC operando en la estación espacial es un sueño hecho realidad. Ha sido un camino largo y difícil llegar hasta aquí, pero valió la pena por completo, porque hay muchas cosas que podremos hacer con esta instalación ".
Hace aproximadamente dos semanas, los científicos de CAL confirmaron que la instalación había producido BEC a partir de átomos de rubidio, un elemento metálico suave, de color blanco plateado en el grupo alcalino. Según su informe, habían alcanzado temperaturas tan bajas como 100 nanoKelvin, diez millones de Kelvin por encima del cero absoluto (-273 ° C; -459 ° F). Esto es aproximadamente 3 K (-270 ° C; -454 ° F) más frío que la temperatura promedio del espacio.
Debido a su comportamiento único, los BEC se caracterizan como un quinto estado de la materia, distinto de los gases, líquidos, sólidos y plasma. En los BEC, los átomos actúan más como ondas que partículas en la escala macroscópica, mientras que este comportamiento generalmente solo es observable en la escala microscópica. Además, todos los átomos asumen su estado de energía más bajo y adquieren la misma identidad de onda, lo que los hace indistinguibles entre sí.
En resumen, las nubes de átomos comienzan a comportarse como un solo "súper átomo" en lugar de átomos individuales, lo que los hace más fáciles de estudiar. Los primeros BEC fueron producidos en un laboratorio en 1995 por un equipo científico compuesto por Eric Cornell, Carl Wieman y Wolfgang Ketterle, quienes compartieron el Premio Nobel de Física 2001 por su logro. Desde entonces, se han llevado a cabo cientos de experimentos BEC en la Tierra y algunos incluso han sido enviados al espacio a bordo de cohetes sonoros.
Pero la instalación de CAL es única en el sentido de que es la primera de su tipo en la EEI, donde los científicos pueden realizar estudios diarios durante largos períodos. La instalación consta de dos contenedores estandarizados, que consisten en el "casillero cuádruple" más grande y el "casillero único" más pequeño. El casillero cuádruple contiene el paquete de física de CAL, el compartimento donde CAL producirá nubes de átomos ultrafríos.
Esto se hace mediante el uso de campos magnéticos o láseres enfocados para crear contenedores sin fricción conocidos como "trampas de átomos". A medida que la nube atómica se descomprime dentro de la trampa atómica, su temperatura disminuye naturalmente, enfriándose cuanto más tiempo permanece en la trampa. En la Tierra, cuando estas trampas se apagan, la gravedad hace que los átomos comiencen a moverse nuevamente, lo que significa que solo se pueden estudiar para fracciones de segundo.
A bordo de la ISS, que es un entorno de microgravedad, los BEC pueden descomprimirse a temperaturas más frías que con cualquier instrumento en la Tierra y los científicos pueden observar BEC individuales durante cinco a diez segundos a la vez y repetir estas mediciones hasta seis horas por día. Y dado que la instalación se controla de forma remota desde el Centro de Operaciones de Misiones de órbita terrestre en JPL, las operaciones diarias no requieren intervención de los astronautas a bordo de la estación.
Robert Shotwell, ingeniero jefe de la dirección de astronomía y física del JPL, ha supervisado el proyecto desde febrero de 2017. Como indicó en un reciente comunicado de prensa de la NASA:
“CAL es un instrumento extremadamente complicado. Por lo general, los experimentos BEC involucran suficiente equipo para llenar una habitación y requieren un monitoreo casi constante por parte de los científicos, mientras que CAL es aproximadamente del tamaño de un refrigerador pequeño y se puede operar de forma remota desde la Tierra. Fue una lucha y requirió un esfuerzo significativo para superar todos los obstáculos necesarios para producir las instalaciones sofisticadas que operan hoy en la estación espacial ".
Mirando hacia el futuro, los científicos de CAL quieren ir aún más lejos y alcanzar temperaturas más bajas que cualquier cosa lograda en la Tierra. Además del rubidio, el equipo de CAL también está trabajando para fabricar BECS utilizando dos isótopos diferentes de átomos de potasio. Por el momento, CAL todavía está en una fase de puesta en servicio, que consiste en que el equipo de operaciones realice una larga serie de pruebas para ver cómo funcionará la instalación de CAL en microgravedad.
Sin embargo, una vez que esté en funcionamiento, cinco grupos científicos, incluidos los grupos dirigidos por Cornell y Ketterle, realizarán experimentos en las instalaciones durante su primer año. Se espera que la fase científica comience a principios de septiembre y dure tres años. Como Kamal Oudrhiri, gerente de misión de JPL para CAL, lo expresó:
“Hay un equipo de científicos de todo el mundo listo y entusiasmado por usar esta instalación. La amplia gama de experimentos que planean realizar significa que hay muchas técnicas para manipular y enfriar los átomos que necesitamos adaptar para la microgravedad, antes de entregar el instrumento a los investigadores principales para comenzar las operaciones científicas ".
Con el tiempo, el Cold Atom Lab (CAL) puede ayudar a los científicos a comprender cómo funciona la gravedad en las escalas más pequeñas. Combinado con experimentos de alta energía realizados por el CERN y otros laboratorios de física de partículas en todo el mundo, esto podría conducir a una Teoría del Todo (ToE) y una comprensión completa de cómo funciona el Universo.
Y asegúrese de ver este video genial (¡sin juego de palabras!) De las instalaciones de CAL también, cortesía de la NASA:
