انسان ها سردترین مکان در فضا را ایجاد کردند.
علی‌رغم چندین دهه تحقیق، دانشمندان همچنان در تلاش هستند تا دریابند چهار نیروی اصلی جهان چگونه در تناسب با یکدیگر کار می کنند. در حالیکه مکانیک کوانتومی می تواند توضیح دهد سه مورد از این نیروها (الکترومغناطیس، نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی) در کوچکترین مقیاس‌ها با یکدیگر کار می کنند، نسبیت عام هم نحوه کارکرد اجرام در بزرگترین مقیاس‌ها را توضیح می دهد. در همین رابطه، گرانش است که چالش‌هایی را با خود به همراه داشته است. برای درک اینکه گرانش چگونه با ماده در کوچکترین مقیاس‌ها برهمکنش می کند، دانشمندان آزمایش‌های بسیار جالب توجهی را ترتیب داده‌اند.
، یکی از این آزمایش‌ها در آزمایشگاه اتم سرد ناسا(CAL) واقع در ایستگاه فضایی بین‌المللی به انجام می رسد. اخیرا، این آزمایشگاه با ایجاد ابرهایی از اتم به نام «چگالش بوز-اینشتین» دستاورد مهمی کسب کرده است. این برای اولین بار بود که چگالش بوز-اینشتین در مدار زمین ایجاد شد. این دستاورد، فرصت‌های تازه‌ای را برای بررسی بیشتر قوانین فیزیک عرضه می کند. چگالش بوز-اینشتین حالتی از ماده است که در آن، یک گاز رقیق، بوزون را تا دمای بسیار پایین و در منفیِ ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد سرد می کند. در اثر دمای بسیار پایین در این گذار فازی، بخش بسیار بزرگی از بوزون‌ها، کمترین حالت کوانتومی را اِشغال می کنند و در آن نقطه، پدیده کوانتومی ماکروسکوپی آشکار می شود. بوزون‌های سرد در هم فرو می روند و ابرذره‌هایی که رفتاری شبیه به یک ریزموج دارند تا ذره‌های معمولی شکل بگیرد. ماده چگال شده بوز-اینشتین شکننده و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.
چگالش بوز-اینشتین(BEC) که ۷۱ سال پیش توسط «ساتیندرانات بوز» و «آلبرت اینشتین» پیش‌بینی شد، اتم‌های فوقِ سردی هستند که به دمای بالای صفر مطلق می رسند که در این نقطه، اتم‌ها باید به طور کامل دست از حرکت بردارند. این ذرات عمر طولانی دارند و به طور کاملا کنترل شده عمل می کنند؛ این عامل آنها را به پلتفرم ایده‌آلی برای مطالعه رویدادهای کوانتومی تبدیل می کند. این هدف والای آزمایشگاه اتم سرد ناسا است، این آزمایشگاه قصد دارد گازهای کوانتومی فوق سرد را در یک محیط با گرانش پایین مطالعه کند.
این آزمایشگاه در اواخر ماه می ۲۰۱۸ در ایستگاه فضایی بین‌المللی راه‌اندازی شد و نخستین آزمایشگاه در نوع خودش در فضا محسوب می گردد. این آزمایشگاه برای گسترش توانایی دانشمندان برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق درباره گرانش و مطالعۀ نحوه برهمکنش آن با ماده در کوچکترین مقیاس‌ها طراحی شده است. «رابرت تامسون» دانشمند این پروژه و فیزیکدان در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا گفت: «انجام آزمایش چگالش بوز-اینشتین در ایستگاه فضایی بین‌المللی رویایی است که به تحقق پیوسته است. ما راهی سخت و طولانی برای رسیدن به این نقطه پیموده‌ایم، اما تلاش‌هایمان ارزش داشته و به ثمر نشسته است، زیرا ما در آینده خواهیم توانست کارهای بسیار زیادی در این آزمایشگاه انجام بدهیم.»
در حدود دو هفته پیش، دانشمندان آزمایشگاه اتم سرد ناسا در تاییدیه‌ای اعلام کردند که این آزمایشگاه موفق به تولید چگالش بوز-اینشتین از اتم‌های روبیدیوم (یک عنصر نرم فلزی سفید در گروه قلیایی) شده است. براساس گزارش دانشمندان، آنان به دمای پایین ۱۰۰ نانوکلوین هم دست یافته بودند که تقریبا سه هزار برابر سردتر از دمای میانگین فضا (۲۷۰- درجه سلسیوس) است. چگالش بوز-اینشتین به خاطر رفتار منحصربفردش، بعنوان حالت پنجم ماده معرفی شده است زیرا ماهیتی متفاوت با گازها، جامدات، مایعات و پلاسما دارد. در چگالش بوز-اینشتین، اتم‌ها بیشتر شبیه موج‌ها عمل می کنند تا ذره‌ها در مقیاس ماکروسکوپی.
علاوه بر این، اتم‌ها پایین‌ترین سطح انرژی‌شان را اتخاذ کرده و هویت موج یکسانی می گیرند؛ این عامل باعث می شود شرایط برای تفکیک آنها از همدیگر غیرممکن گردد. ابرهای اتم به مانند یک سوپر اتم رفتار می کنند، نَه اتم‌های عادی. نخستین چگالش بوز-اینشتین توسط یک گروه علمی در آزمایشگاهی در سال ۱۹۹۵ میلادی تولید شد؛ در این گروه، اریک کورنل، کارل ویمن و ولفگانگ کترل که به پاس دستاوردهایشان در سال ۲۰۰۱ توانستند جایزه نوبل فیزیک را بطور مشترک تصاحب کنند، فعالیت می کردند.
از آن زمان به بعد، صدها آزمایش چگالش بوز-اینشتین در زمین به انجام رسیده و برخی آزمایش‌ها نیز در فضا انجام شده‌اند. اما آزمایشگاه اتم سرد ناسا یک مرکز منحصربفرد می باشد زیرا در نوع خودش نخستین آزمایشگاه در ایستگاه فضایی بین‌المللی به شمار می رود. در آنجا، دانشمندان می توانند مطالعات روزمره را در طی دوره‌های طولانی انجام بدهند. در این مرکز دو محفظه استاندارد وجود دارد.
اتم‌های پلاسما، فوق‌العاده داغ و برانگیخته هستند، اما حالت چگالش بوز-اینشتین درست برعکس آن است و آنها کاملا تحریک نشده و فوق‌العاده سرد هستند. متراکم شدن یا چگالش زمانی روی می دهد که چند مولکول گاز به خاطر کاهش انرژی، با یکدیگر جمع شده و تبدیل به مایع می شوند. اتم‌های گاز واقعا برانگیخته و پرانرژی هستند، اما در درجه صفر کلوین، تقریبا تمام مولکول‌ها از حرکت می ایستند و توان تبدیل به قطره را دارا می شوند. در ایستگاه فضایی بین‌المللی که محیطی با گرانش کم است، بوز-اینشتین می تواند دماهایی سردتر از آنچه با هر دستگاهی در زمین به آن می رسند، را تجربه کند و دانشمندان می توانند هر بار چگالش بوز-اینشتین را برای ۵ الی ۱۰ ثانیه مورد مشاهده قرار دهند. چون این آزمایشگاه به صورت از راه دور از مرکز عملیات پیشرانش جت ناسا کنترل می شود، عملیات روزانه مستلزم هیچ مداخله‌ای از سوی فضانوردانِ حاضر در ایستگاه نمی باشد.
«رابرت شاتول» مهندس ارشد بخش فیزیک و اخترشناس آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا گفت: «آزمایشگاه اتم سرد ناسا یک مرکز فوق‌العاده پیچیده است. آزمایش‌های چگالش بوز-اینشتین تجهیزات کافی برای پر کردن یک اتاق را دارند و دانشمندان باید بطور پیوسته آن را مورد بازبینی قرار دهند، در حالیکه آزمایشگاه اتم سرد ناسا به اندازه یک یخچال کوچک است و می تواند بصورت راه دور از زمین کنترل شود. این یک چالش مهم بود و مستلزم تلاش قابل توجهی برای غلبه بر تمامی موانع لازم برای راه اندازی آن مرکز بود که اکنون در ایستگاه فضایی کار می کند.
دانشمندان آزمایشگاه اتم سرد ناسا می خواهند گام‌های بلندتری برداشته و به دماهایی دست یابند که پایین‌تر از هر دمایی است که در زمین به دست آمده است. علاوه بر روبیدیم، دانشمندان آزمایشگاه اتم سرد ناسا همچنان در تلاش اند تا چگالش بوز-اینشتین را با استفاده از دو ایزوتوپ مختلف اتم‌های پتاسیم درست کنند. در حال حاضر، آزمایشگاه اتم سرد ناسا در مرحله آمادگی قرار دارد، اما دانشمندان ابراز امیدواری کرده اند که آزمایش‌های مهمی در سال نخست راه‌اندازی آن انجام خواهند داد. انتظار می رود فاز علمی آن هم در سپتامبر ۲۰۱۸ کلید بخورد و سه سال به طول انجامد.»
«کمال اوردیری» مدیر عملیات آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا اظهار داشت: «اکنون تیمی از دانشمندان آمادگی خود را برای استفاده از این آزمایشگاه اعلام کرده‌اند. این آزمایشگاه می تواند به دانشمندان کمک کند تا بفهمند گرانش در کوچکترین مقیاس‌ها چگونه کار می کند. به همراه آزمایش‌های پرانرژی انجام شده در مرکز سرن سوئیس و سایر آزمایشگاه‌های فیزیک ذره در سرتاسر جهان، سرانجام شاید بتوان به نظریه همه چیز و درکی کامل از کارکرد جهان دست یافت.»
