Δημιουργήθηκε η "πέμπτη κατάσταση της ύλης" στο διάστημα

Σε ένα πείραμα στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ΔΣΣ), επιστήμονες της Αμερικανικής Διαστημικής Υπηρεσίας (NASA) δημιούργησαν ένα υπέρψυχρο αέριο συμπύκνωμα Bose-Einstein το αποκαλούμενο ως "πέμπτη κατάσταση της ύλης". 



Πρόκειται για επιστημονικό και τεχνολογικό επίτευγμα, καθώς είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο στο διάστημα σε περιβάλλον μικροβαρύτητας, κάτι που επιτρέπει τη μελέτη της ύλης σε συνθήκες πιο ευνοϊκές από εκείνες της Γης.

Το πείραμα έγινε σε ένα από τα πιο κρύα μέρη στο σύμπαν, σε μία συσκευή μεγέθους βαλίτσας (Cold Atom Laboratory-CAL), που είχε εκτοξευθεί στον ΔΣΣ το 2018. Το εν λόγω μίνι-εργαστήριο ψύχει άτομα ρουβιδίου σε έναν θάλαμο κενού, χρησιμοποιώντας φως λέιζερ για να επιβραδύνει την κίνησή τους. Στη συνέχεια, μαγνητικά πεδία συγκρατούν και «παγιδεύουν» το πυκνό νέφος των ατόμων, που έχει θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν (μείον 273 βαθμοί Κελσίου), με τελικό αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein.

Τα εν λόγω συμπυκνώματα είχαν προταθεί θεωρητικά ως πέμπτη κατάσταση της ύλης (μετά τα στερεά, τα υγρά, τα αέρια και το πλάσμα) στις αρχές της δεκαετίας του 1920 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τον Ινδό Σατιέντρα Ναθ Μπόουζ, από όπου πήραν και το όνομά τους. Στην πράξη παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά πριν 25 χρόνια.

Το πολύ κρύο νέφος παύει να συμπεριφέρεται όπως τα επιμέρους άτομα και σωματίδια, αλλά μάλλον ως μία ενιαία οντότητα με κβαντικές ιδιότητες, όπου κάθε σωματίδιο λειτουργεί, επίσης, και ως κύμα. Το όλο συμπύκνωμα μπορεί, πλέον, να θεωρηθεί ως ένα ενιαίο κύμα ύλης. Ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν ότι αυτά τα συμπυκνώματα μπορούν να παράσχουν ζωτικές ενδείξεις για μυστήρια της Φυσικής, όπως η σκοτεινή ενέργεια.

Η εν λόγω "εξωτική" κατάσταση της ύλης έχει δημιουργηθεί από πολλούς επιστήμονες σε διάφορα πειράματα από το 1995 και μετά στη Γη, όπου, όμως, λόγω της βαρύτητας, το συμπύκνωμα μπορεί να δημιουργηθεί μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου. Αντίθετα, όπως έδειξε το πείραμα στον ΔΣΣ, στο διάστημα -με την πολύ μικρότερη βαρύτητα- η πέμπτη κατάσταση της ύλης παραμένει σταθερή για μερικά δευτερόλεπτα, οπότε μπορεί να μελετηθεί καλύτερα.

Το ευρισκόμενο σε εξέλιξη πείραμα CAL πραγματοποιείται εξ αποστάσεως με επικεφαλής τον Ρόμπερτ Τόμσον του Εργαστηρίου Αεριώθησης (JPL) του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) και της Αμερικανικής Διαστημικής Υπηρεσίας (NASA), και τα πρώτα αποτελέσματά του παρουσιάστηκαν σε δημοσίευση στο «Nature».

Στο μέλλον, οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν το πείραμα για να παρακολουθήσουν τα άτομα να συγκρούονται σε κβαντικό επίπεδο, καθώς, επίσης, να ανιχνεύσουν κατά πόσο πιθανές «ρυτιδώσεις» του χωροχρόνου που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα, επιδρούν στην κίνηση των ατόμων. Ακόμη, θα ελεγχθεί κατά πόσο η μικροβαρύτητα παραβιάζει την αρχή ισοδυναμίας του Αϊνστάιν, σύμφωνα με την οποία όλες οι μάζες σε ένα βαρυτικό πεδίο επιταχύνονται με τον ίδιο τρόπο.



Συνοπτικά το συμπύκνωση Bose-Einstein

Όταν τα αέρια ψύχονται αρχικά υγροποιοιούνται και στη συνέχεια στερεοποιούνται. Όταν όμως αραιό αέριο μποζονίων (10-11 Torr) ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω από 1μK), τότε δημιουργείται η συμπύκνωση Bose - Einstein που είναι η εν λόγο νέα φάση της ύλης. 

Στην φάση αυτή, το μήκος κύματος κατά de Broglie των ατόμων λ=h/mu, λόγω της μικρής ταχύτητας των ατόμων γίνεται πάρα πολύ μικρό που  υπερβαίνει το ενδοατομικό διάστημα. Έτσι έχουν όλα τα άτομα ενιαία κυματοσυνάρτηση.

Επειδή τα άτομα είναι μποζόνια - που είναι εάν έχουν "spin" ίσο με 0, h/2p, 2(h/2p), 3(h/2p) κλπ, όπου h είναι η σταθερά του Planck  - έχουν όλα καταρεύσει στην ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτό δίνει στη συμπύκνωση πολλές ασυνήθιστες κβαντικές ιδιότητες.

Τέτοια παραδείγματα συμπυκνώσεων που τα άτομα έχουν ενιαία κυματοσυνάρτηση είναι στα ζεύγη ατόμων Cooper της υπερρευστότητας και στα ζεύγη ηλεκτρονίων Cooper της υπεραγωγιμότητας. Για πρώτη φορά συσσωμάτωμα Bose-Einstein παρατηρήθηκε σε άτομα ρουβιδίου. Αφού με μικρή θέρμανση Rb εξαερωθούν μερικά άτομα  του, στη συνέχεια επιβραδύνονται με την εφαρμογή δέσμης laser αντίθετης διεύθυνσης. Τα άτομα τότε αποκτούν ταχύτητες μερικών cm/s που αντιστοιχούν σε θερμοκρασία μερικών μΚ.

Αν συγχρόνως παγιδεύσουμε τα άτομα του Rb σε μαγνητικό πεδίο τότε ακινητοποιούνται ακόμη περισσότερο (πρακτικά ακίνητα) και η θερμοκρασία ελαττώνεται σε 200nK. Το πρώτο λοιπόν συσσωμάτομα είχε διαστάσεις 10μm και αποτελούνταν από 2000 άτομα που επέζησαν για 15 sec.

Έκτοτε έγινε μελέτη και σε λίθιο. Σε θερμοκρασία 400 nK έγινε συμπύκνωση 105 ατόμων λιθίου σε <<σωμάτιο>> διαστάσεων μερικών μm.

Ανάλογο φαινόμενο συμπυκνώσεως παρουσιάστηκε στις πυρηνικές αντιδράσεις κατά τις συγκρούσεις πρωτονίων με αντιπρωτόνια. Κατά την αντίδραση παράγονται δύο θετικά και δύο αρνητικά πιόνια, ως και μερικά ουδέτερα .


Πηγές: ΑΠΕ-ΜΠΕ, physics4u.gr

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου