Vi har på opfordring af en læser lovet at fortælle om et nyt og meget banebrydende forsøg inden for kvantefysik, der skal udføres på rumstationen ISS om godt et år. Her er historien, som begyndte for snart 90 år siden.
Et brev, der ændrede fysikken
Forsøget går ud på at skabe et såkaldt Bose-Einstein kondensat, der er en tilstandsform af stof, der kun kan beskrives ved hjælp af kvantefysik. Det instrument, NASA har bygget, har meget passende fået navnet Cold Atom Laboratory, eller bare CAL. I dette instrument kan temperaturen sænkes til bare 100 picograder over det absolutte nulpunkt på -273,15 grader. Dermed kan CAL muligvis blive det koldeste sted i universet.
Baggrunden for forsøget er et brev, den indiske fysiker Santyendra Bose for snart 90 år siden sendte til Einstein. Brevet handlede om lys og fotoner, og selv om Bose dengang var helt ukendt, kunne Einstein straks se, at her var noget at bygge videre på.
Einstein oversatte selv brevet fra engelsk til tysk og sørgede for, at det blev trykt i et tysk tidsskrift for fysik. Derefter udbyggede han så Boses teori, så den også kom til at gælde for atomer. Resultatet blev teorien om det, der i dag kaldes for Bose-Einstein kondensater.
Kvantefysikkens mærkelige univers
I et Bose-Einstein kondensat opfører atomerne sig som et stort superatom, eller måske bedre beskrevet som en stor bølge. Kondensatet er hverken fast, flydende eller en gas, men som nævnt en helt ny tilstandsform.
Det viser sig ved, at dersom man bringer to kondensater sammen, så støder de ikke sammen. Men der, hvor de overlapper, så dannes der et smukt mønster af mørke og lyse striber, et såkaldt interferensmønster – og det kan kun skabes, hvis kondensatets atomer opfører sig som en stor bølge.
Det første Bose-Einstein kondensat blev fremstillet i laboratoriet i 1995, hvilket udløste en nobelpris i 2001. Men på grund af tyngdekraften er det svært at holde kondensatet stabilt i mere end et sekund. Ved at gennemføre forsøgene i den vægtløse tilstand på ISS håber man at kunne holde kondensatet stabilt i op til 20 sekunder. Det vil give tid til meget mere præcise og omfattende målinger, end der kan udføres her på Jorden.
Endnu er udforskningen af disse kondensater ren grundforskning, men det er næsten sikkert, at denne forskning vil føre til ny teknik.
Lidt kvantefysik
Den teoretiske baggrund for forsøget er at naturen ikke skelner mellem partikler og bølger. Partikler kan opføre sig som bølger, og bølger som partikler. Men når vi ser på verden omkring os, så er der jo forskel mellem partikler og bølger – på en bølge i vand og den sten, som har skabt bølgen.
Men det skyldes, at vi kun ser store legemer, der opfører sig ”normalt”. Vi skal helt ned i atomernes mikroverden, før kvantefysikken for alvor kan folde sig ud.
I kvantefysikken kan enhver partikel beskrives med en såkaldt stofbølge, første gang forudsagt af den franske fysiker Louis de Broglie i 1923. Bølgelængden L af en sådan stofbølge er givet ved en meget simpel formel: L = h/(m*x*v)
I formlen er h Plancks konstant, m partiklens masse og v dens hastighed. Formlen viser, at for at få en bølgelængde L, der overhovedet kan måles, så skal m være lille (atomstørrelse) og farten v skal være så lille som mulig.
Målet er at bringe temperaturen ned
Det betyder, at man skal meget tæt på det absolutte nulpunkt. Der er nemlig en simpel sammenhæng mellem temperaturen af en gas og molekylernes fart: En høj temperatur svarer til en høj fart. Det er først helt nede ved det absolutte nulpunkt, at atomer og molekyler bevæger sig virkelig langsomt.
Hele ideen er nu at bringe temperaturen så langt ned, at de Broglie bølgelængden L for atomerne bliver større end gennemsnitsafstanden mellem atomerne. Når det sker, kommer atomerne så at sige til 'at dele stofbølger' med det resultatet, at det ikke længere har mening at tale om forskellige bølger, der hører til de enkelte atomer. Alle atomerne udgør nu en og samme bølge.
Når det er sket, taler vi om et Bose-Einstein kondensat, og det er noget så sjældent som noget kvantefysik, man næsten kan se, fordi et kondensat kan bestå af over en million atomer.
Normalt i kvantefysikken skal man ned og studere de enkelte atomer for at se kvanteeffekterne, og det er ikke særlig let. Kondensatet er så stort, at det for alvor flytter grænsen mellem vor ”normale” verden og kvantefysikkens for os næsten uforståelige verden.
Bose-Einstein på Jorden
De første kondensater, der er fremstillet her på Jorden, var dannet ud fra en meget tynd gas af grundstofferne Rubidium eller Natrium. Den tekniske udfordring var både at afkøle dem tilstrækkeligt meget, og samtidig undgå at kondensatet kom i kontakt med beholderens vægge, hvor det så ville blive varmet op. Det kræver en meget præcis styring af atomerne, som tyngdekraften vanskeliggør.
På den korte tid kondensatet eksisterer, er det også svært at holde det stabilt afkølet. Det første kondensat blev dannet ved en temperatur på 170 nanograder over det absolutte nulpunkt.
Lasere bremser atomerne ned og dermed afkøler
Men selv om det lyder lavt, så er 170 nanograder alligevel en 1700 gange højere temperatur end de 100 picograder man håber at opnå på ISS. Afkølingen sker ved hjælp af lasere, der på en meget snedig måde skubber til de enkelte atomer, så de efterhånden bremses ned.
Det er i øvrigt umuligt at nå selve det absolutte nulpunkt, hvor al bevægelse er ophørt. Det svarer til, at det også er umuligt at nå helt op på lysets hastighed. Naturen sætter skam sine grænser.
Den danske forsker Lene Hau har arbejdet med Bose-Einstein kondensater. Det er lykkedes hende at få lys til at stå stille i et sådant kondensat i brøkdele af et sekund. Men perspektiverne er store, Selv udtaler hun om fremtidsmulighederne:
»Når stoffet rejser mellem de to Bose-Einstein kondensater, kan vi fange det – måske i hele minutter – omforme det og ændre det som det passer os. Denne nye form for kvantekontrol kan måske også bruges i udvikling inden for kvanteinformationsbehandling og kvantekryptografi«
Fosøgene er altså et skridt på vejen mod kvantecomputere.
Grundforskning i rummet
CAL skal opsendes i foråret 2016, og er beregnet til at fungere i mindst fem år. Det er muligt at opgradere instrumentet, og tanken er, at det skal kunne anvendes af forskere fra hele verden.
CAL er ikke NASAs første forsøg på at drive grundforskning i fysik ude i rummet. Det hidtil mest berømte eksempel er satellitten Gravity Probe B, der har eftervist nogle af forudsigelserne fra den almene relativitetsteori om, hvordan Jordens tyngdefelt får rummet til at krumme sig om vor planet.
Denne artikel er oprindeligt publiceret som et blogindlæg.
