تجري وكالة ناسا تجارب على استخدام تكنولوجيا الكم لقياس الجاذبية والحقول المغناطيسية والقوى الأخرى في الفضاء. وقد اختبرت وكالة الفضاء للتو أداة جديدة تمامًا على متن محطة الفضاء الدولية (ISS) لقياس اهتزازات المختبر المداري باستخدام ذرات شديدة البرودة.
تستخدم الأداة الكمومية، التي تسمى مقياس التداخل الذري، ذرات يتم تبريدها بالليزر إلى جزء من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق لجمع قياسات دقيقة لخصائص الذرات نفسها. وهذا أكثر برودة من الفضاء، الذي يظهر درجة حرارة محيطة تبلغ 2.725 درجة كلفن فوق الصفر المطلق.
على الرغم من استخدام مقاييس التداخل الذري على الأرض، إلا أنها كانت تعتبر هشة للغاية بحيث لا يمكنها العمل لفترات أطول في الفضاء. ومع ذلك، باستخدام مختبر الذرات الباردة التابع لوكالة ناسا – وهو منشأة على متن محطة الفضاء الدولية بحجم ثلاجة صغيرة – أثبت العلماء أنه من الممكن استخدام مقاييس التداخل الذري في الفضاء. تم تفصيل نتائج التجربة الأخيرة في دراسة حديثة نُشرت في اتصالات الطبيعة.
يستفيد مختبر الذرات الباردة من بيئة انعدام الجاذبية على متن محطة الفضاء الدولية لدراسة الظواهر الكمومية. يبرد المختبر الذرات إلى ما يقرب من الصفر المطلق، أو -459 درجة فهرنهايت (-273 درجة مئوية). عند هذه درجات الحرارة شديدة البرودة، تشكل الذرات حالة خامسة من المادة (على عكس الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية أو البلازما) تسمى تكاثف بوز-أينشتاين، مما يجعل الخصائص الكمومية للذرات عيانية وليست مجهرية. ونتيجة لذلك، يسهل ملاحظة خصائص الذرات.
في بيئة انعدام الجاذبية في محطة الفضاء الدولية، يمكن لحالة تكاثف بوز-أينشتاين أن تستمر لفترة أطول وتصل إلى درجات حرارة أكثر برودة، مما يخلق فرصة أفضل للرصد. باستخدام مقياس التداخل الذري، يستغل العلماء الخصائص الموجية للذرات، والتي يمكن أن تتسبب في انتقال ذرة واحدة في مسارين منفصلين جسديًا في وقت واحد. عندما تتحد موجات الذرة وتتفاعل، يمكن للعلماء قياس تأثير الجاذبية أو القوى الأخرى التي أثرت على تلك الموجات.
إن وجود مقياس تداخل ذري قائم في الفضاء، قادر على قياس الجاذبية بدقة متناهية، من شأنه أن يساعد العلماء على فهم أفضل لتركيب الأقمار وغيرها من الأجرام السماوية. فالاختلاف في كثافات ومواد الأقمار والكواكب يؤدي إلى اختلافات دقيقة في الجاذبية. كما أن القياسات الدقيقة للجاذبية من شأنها أن تمنح العلماء نظرة ثاقبة نادرة للمادة المظلمة ــ المادة الأكثر مراوغة في الكون.
وقال كاس ساكيت، الباحث الرئيسي في مختبر الذرات الباردة والمؤلف المشارك للدراسة الجديدة، في بيان: “يمكن أيضًا استخدام قياس التداخل الذري لاختبار نظرية أينشتاين للنسبية العامة بطرق جديدة. هذه هي النظرية الأساسية التي تشرح البنية واسعة النطاق لكوننا، ونحن نعلم أن هناك جوانب من النظرية لا نفهمها بشكل صحيح. قد تساعدنا هذه التكنولوجيا في سد هذه الفجوات وتزويدنا بصورة أكثر اكتمالاً للواقع الذي نعيش فيه”.
أُطلق مختبر الذرات الباردة التابع لوكالة ناسا إلى محطة الفضاء الدولية في عام 2018 وكان أول من أنتج مكثفات بوز-أينشتاين في المدار. يتم تشغيل المختبر عن بُعد من الأرض، وقد تساعدنا الاكتشافات التي تستخدم المنشأة يومًا ما في الوصول إلى أبعد في الفضاء وفهم الكون المحيط بنا بشكل أفضل.
أكثر: باحثون يطورون مستشعر اهتزاز كمي يمكنه قياس أصغر وحدات الصوت