لماذا يعد "مختبر الذرات الباردة (CAL)" بحجم الثلاجة الصغيرة الذي يدور حول الأرض على متن محطة الفضاء الدولية أمرًا مهمًا للعلوم  

المادة لها طبيعة مزدوجة؛ فكل شيء يوجد على هيئة جسيم وموجة. وعند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، تصبح الطبيعة الموجية للذرات قابلة للملاحظة عن طريق الإشعاع في النطاق المرئي. وعند درجات الحرارة شديدة البرودة في نطاق النانو كلفن، تتجمع الذرات في كيان واحد أكبر وتنتقل إلى الحالة الخامسة التي تسمى مكثف بوز آيزنشتاين (BEC) والتي تتصرف كموجة في حزمة كبيرة. ومثل جميع الموجات، تُظهر الذرات في هذه الحالة ظاهرة التداخل ويمكن دراسة أنماط التداخل لموجات الذرة في المختبرات. تعمل مقاييس التداخل الذري المنتشرة في بيئة الجاذبية الدقيقة في الفضاء كمستشعر دقيق للغاية وتوفر فرصة لقياس أضعف التسارعات. يعد مختبر الذرات الباردة بحجم الثلاجة الصغيرة (CAL) الذي يدور حول الأرض على متن محطة الفضاء الدولية (ISS) منشأة بحثية لدراسة الغازات الكمومية شديدة البرودة في بيئة الجاذبية الدقيقة في الفضاء. وقد تم ترقيته بمقياس التداخل الذري قبل بضع سنوات. وفقًا للتقرير المنشور في 13 أغسطس 2024، أجرى الباحثون تجارب مستكشفة بنجاح. يمكنهم قياس اهتزازات محطة الفضاء الدولية باستخدام مقياس تداخل ماخ-زيندر ثلاثي النبضات على متن منشأة CAL. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام مستشعر كمي في الفضاء للكشف عن التغييرات في المحيط المباشر. تضمنت التجربة الثانية استخدام قياس تداخل موجة القص رامزي لإظهار أنماط التداخل في تشغيل واحد. كانت الأنماط قابلة للملاحظة لأكثر من 150 مللي ثانية من وقت التمدد الحر. كان هذا أطول عرض لطبيعة موجة الذرات في السقوط الحر في الفضاء. كما قام فريق البحث بقياس ارتداد فوتون ليزر براج كدليل على أول مستشعر كمي يستخدم قياس التداخل الذري في الفضاء. هذه التطورات مهمة. وباعتبارها أجهزة استشعار دقيقة للغاية، يمكن لأجهزة قياس التداخل الذري فائقة البرودة المستندة إلى الفضاء قياس تسارعات ضعيفة للغاية، وبالتالي توفر فرصًا للباحثين لاستكشاف الأسئلة (مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة، وعدم تناسق المادة والمادة المضادة، وتوحيد الجاذبية مع المجالات الأخرى) التي لا تستطيع النسبية العامة والنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات تفسيرها وملء الفجوة في فهمنا للكون. 

تُظهِر الموجات ظاهرة التداخل، أي أن موجتين متماسكتين أو أكثر تتحدان لتكوين موجة ناتجة قد تكون ذات سعة أعلى أو أقل اعتمادًا على مراحل الموجات المتحدّة. وفي حالة الضوء، نرى الموجات الناتجة في شكل حواف داكنة وخفيفة.  

التداخل هو طريقة لقياس الخصائص باستخدام ظاهرة التداخل. وهو يتضمن تقسيم الموجة الواردة إلى شعاعين يسلكان مسارات مختلفة ثم يتحدان لتشكيل نمط التداخل الناتج أو الهوامش (في حالة الضوء). يكون نمط التداخل الناتج حساسًا للتغيرات في ظروف مسارات سفر الشعاعين، على سبيل المثال، أي تغيير في طول مسار السفر أو في أي مجال فيما يتعلق بطول الموجة يؤثر على نمط التداخل ويمكن استخدامه للقياسات.   

موجة دي برولي أو موجة المادة  

المادة لها طبيعة مزدوجة؛ فهي توجد كجسيمات وموجات. كل جسيم أو جسم متحرك له خاصية موجية تعطى بواسطة معادلة دي برولي  

λ = h/mv = h/p = h/√3mKT   

حيث λ هو الطول الموجي، h هو ثابت بلانك، m هي الكتلة، v هي سرعة الجسيم، p هو الزخم، K هو ثابت بولتزمان، و T هي درجة الحرارة بالكلفن. 

طول موجة دي برولي الحرارية يتناسب عكسيا مع الجذر التربيعي لدرجة الحرارة بالكلفن، مما يعني أن λ ستكون أكبر عند درجة حرارة منخفضة.  

دراسة موجات الذرات شديدة البرودة 

بالنسبة للذرة النموذجية، فإن طول موجة دي برولي عند درجة حرارة الغرفة يكون في حدود أنجستروم (10^-10 م) بمعنى. 0.1 نانومتر (1 نانومتر = 10^-9 م). يمكن لإشعاع بطول موجي معين أن يحدد تفاصيل في نفس نطاق الحجم. لا يمكن للضوء تحديد تفاصيل أصغر من طوله الموجي وبالتالي لا يمكن تصوير ذرة نموذجية في درجة حرارة الغرفة باستخدام الضوء المرئي الذي يبلغ طوله الموجي في نطاق حوالي 400 نانومتر إلى 700 نانومتر. يمكن للأشعة السينية القيام بذلك بسبب طولها الموجي في نطاق أنجستروم ولكن طاقتها العالية تدمر الذرات التي من المفترض أن تلاحظها. لذلك، يكمن الحل في خفض درجة حرارة الذرة (إلى أقل من 10^-6 كلفن) بحيث تزداد أطوال موجات دي برولي للذرات وتصبح قابلة للمقارنة بأطوال موجات الضوء المرئي. وفي درجات الحرارة شديدة البرودة، تصبح الطبيعة الموجية للذرات قابلة للقياس وذات صلة بالتداخل.  

مع انخفاض درجة حرارة الذرات بشكل أكبر في نطاق النانو كلفن (10^-9 عند درجات حرارة منخفضة للغاية تصل إلى حوالي 400 نانو كلفن، تنتقل البوزونات الذرية إلى الحالة الخامسة للمادة والتي تسمى تكاثف بوز-أينشتاين (BCE). عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية هذه بالقرب من الصفر المطلق عندما تصبح الحركات الحرارية للجسيمات مهملة للغاية، تتجمع الذرات في كيان واحد أكبر يتصرف كموجة في حزمة كبيرة. توفر هذه الحالة من الذرات الفرصة للباحثين لدراسة الأنظمة الكمومية على نطاق واسع. تم إنشاء أول تكاثف بوز-أينشتاين الذري في عام 1995 في غاز من ذرات الروبيديوم. ومنذ ذلك الحين، شهد هذا المجال العديد من التحسينات في التكنولوجيا. BEC الجزيئي تم مؤخرًا إنشاء جزيئات NaCs عند درجة حرارة فائقة البرودة تبلغ 5 نانو كلفن (nK).  

ظروف انعدام الجاذبية في الفضاء أفضل لأبحاث ميكانيكا الكم  

تتطلب الجاذبية في المختبرات الأرضية استخدام مصيدة مغناطيسية لتثبيت الذرات في مكانها لتحقيق تبريد فعال. كما تحد الجاذبية من وقت التفاعل مع BECs في المختبرات الأرضية. يتغلب تكوين BECs في بيئة الجاذبية الدقيقة للمختبرات الفضائية على هذه القيود. يمكن لبيئة الجاذبية الدقيقة أن تزيد من وقت التفاعل وتقلل من الاضطرابات من المجال التطبيقي، وبالتالي تدعم بشكل أفضل البحث في ميكانيكا الكم. يتم الآن تكوين BCEs بشكل روتيني في ظل ظروف الجاذبية الدقيقة في الفضاء.  

مختبر الذرات الباردة (CAL) في محطة الفضاء الدولية (ISS) 

مختبر الذرات الباردة (CAL) هو منشأة بحثية متعددة المستخدمين مقرها في محطة الفضاء الدولية (ISS) لدراسة الغازات الكمومية شديدة البرودة في بيئة انعدام الجاذبية في الفضاء. يتم تشغيل CAL عن بُعد من مركز التشغيل في مختبر الدفع النفاث.  

في هذه المنشأة الفضائية، من الممكن الحصول على أوقات مراقبة تزيد عن 10 ثوانٍ ودرجات حرارة فائقة البرودة أقل من 100 بيكو كلفن (1 بيكو كلفن = 10)^-12 كلفن) لدراسة الظواهر الكمومية.   

تم إطلاق مختبر الذرات الباردة في 21 مايو 2018 وتم تثبيته على متن محطة الفضاء الدولية في أواخر مايو 2018. تم إنشاء مكثف بوز-أينشتاين (BEC) في هذه المنشأة الفضائية في يوليو 2018. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إنشاء حالة خامسة للمادة في مدار الأرض. في وقت لاحق، تمت ترقية المنشأة بعد نشر مقاييس التداخل الذري فائقة البرودة.  

لقد حقق مختبر الذرات الباردة العديد من الإنجازات في السنوات الأخيرة. تم إنتاج مكثفات الروبيديوم بوز-أينشتاين (BECs) في الفضاء في عام 2020. كما تم إثبات أن بيئة انعدام الجاذبية مفيدة لتجربة الذرات الباردة.  

في العام الماضي، في عام 2023، أنتج الباحثون BEC ثنائي النوع مكون من ⁸⁷ر ب و ⁴¹وقد أثبت K وCollected تداخل الذرات المتزامن مع نوعين ذريين لأول مرة في الفضاء في منشأة مختبر الذرات الباردة. وكانت هذه الإنجازات مهمة لاختبارات الكم لعالمية السقوط الحر (UFF) في الفضاء.  

التطورات الحديثة في تكنولوجيات الكم الفضائية 

وفقًا للتقرير المنشور في 13 أغسطس 2024، استخدم الباحثون ⁸⁷قام الباحثون بقياس ذرات Rb في مقياس تداخل الذرات CAL وأجروا بنجاح ثلاث تجارب لتحديد المسار. تمكنوا من قياس اهتزازات محطة الفضاء الدولية باستخدام مقياس تداخل ماخ-زيندر ثلاثي النبضات على متن منشأة CAL. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام مستشعر كمي في الفضاء للكشف عن التغييرات في المحيط المباشر. تضمنت التجربة الثانية استخدام مقياس تداخل موجة القص رامزي لإظهار أنماط التداخل في تشغيل واحد. كانت الأنماط قابلة للملاحظة لأكثر من 150 مللي ثانية من زمن التمدد الحر. كان هذا أطول عرض لطبيعة الموجة للذرات في السقوط الحر في الفضاء. كما قام فريق البحث بقياس ارتداد فوتون ليزر براج كدليل على أول مستشعر كمي يستخدم مقياس التداخل الذري في الفضاء. 

أهمية أجهزة قياس التداخل الذري فائقة البرودة التي تم نشرها في الفضاء 

تستغل أجهزة قياس التداخل الذري الطبيعة الكمومية للذرات وهي حساسة للغاية للتغيرات في التسارع أو المجالات وبالتالي لها تطبيقات كأدوات عالية الدقة. تُستخدم أجهزة قياس التداخل الذري الموجودة على الأرض لدراسة الجاذبية وفي تقنيات الملاحة المتقدمة.   

تتمتع أجهزة قياس التداخل الذري الفضائية بمزايا بيئة الجاذبية الدقيقة المستمرة التي توفر ظروف السقوط الحر مع تأثير أقل بكثير من المجالات. كما تساعد تكاثفات بوز-أينشتاين (BECs) على الوصول إلى درجات حرارة أكثر برودة في نطاق بيكو كلفن والبقاء لمدة أطول. والنتيجة النهائية هي إطالة وقت المراقبة وبالتالي فرصة أفضل للدراسة. وهذا يمنح أجهزة قياس التداخل الذري فائقة البرودة المنتشرة في الفضاء قدرات قياس عالية الدقة ويجعلها أجهزة استشعار فائقة.  

تستطيع أجهزة قياس التداخل الذري فائقة البرودة التي يتم نشرها في الفضاء اكتشاف الاختلافات الدقيقة للغاية في الجاذبية والتي تشير إلى اختلاف الكثافة. ويمكن أن يساعد هذا في دراسة تركيب الأجسام الكوكبية وأي تغيرات في الكتلة.  

إن القياس عالي الدقة للجاذبية يمكن أن يساعد أيضًا في فهم المادة المظلمة والطاقة المظلمة بشكل أفضل وفي استكشاف القوى الدقيقة التي تتجاوز النسبية العامة والنموذج القياسي والتي تصف الكون المرئي.  

النسبية العامة والنموذج القياسي هما النظريتان اللتان تصفان الكون المرئي. النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات هو في الأساس نظرية المجال الكمومي. يصف 5٪ فقط من الكون، والباقي 95٪ في أشكال مظلمة (المادة المظلمة والطاقة المظلمة) التي لا نفهمها. النموذج القياسي لا يستطيع تفسير المادة المظلمة والطاقة المظلمة. لا يستطيع أيضًا تفسير عدم تناسق المادة والمادة المضادة. وبالمثل، لم يتم توحيد الجاذبية مع المجالات الأخرى بعد. لم يتم تفسير حقيقة الكون بشكل كامل من خلال النظريات والنماذج الحالية. المسرعات العملاقة والمراصد غير قادرة على إلقاء الضوء على الكثير من ألغاز الطبيعة هذه. باعتبارها أجهزة الاستشعار الأكثر دقة، توفر مقاييس التداخل الذري فائقة البرودة الموجودة في الفضاء فرصًا للباحثين لاستكشاف هذه الأسئلة لملء الفجوة في فهمنا للكون.  

*** 

المراجع:  

1. ميستر، بيير 1997. عندما تصبح الذرات موجات. متاح على https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. ناسا. مختبر الذرات الباردة – بعثات الكون. متوفر على https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. أفلين، دي سي، وآخرون. مراقبة تكاثفات بوز-أينشتاين في مختبر أبحاث يدور حول الأرض. نيتشر 582، 193-197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. إليوت، إي آر، أفلين، دي سي، بيجلو، إن بي وآخرون. مخاليط الغاز الكمومي وقياس التداخل الذري ثنائي النوع في الفضاء. نيتشر 623، 502-508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. ويليامز جونيور وآخرون 2024. تجارب Pathfinder باستخدام قياس التداخل الذري في مختبر الذرات الباردة على متن محطة الفضاء الدولية. Nat Commun 15، 6414. نُشر: 13 أغسطس 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . نسخة ما قبل الطباعة https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. ناسا تعرض لأول مرة مستشعرًا كميًا فائق البرودة في الفضاء. نُشر في 13 أغسطس 2024. متاح على https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

***