Схематичное изображение, показывающее принцип работы установки по получению ультрахолодных атомов.

Какое самое холодное место вы можете представить? Температура в зимний день в Антарктиде опускается до -85ºC. На темной стороне Луны она достигает -173ºC. Но в Лаборатории холодного атома НАСА на Международной космической станции ученые создают нечто более холодное.

Лаборатория холодного атома (ЛХА) — это первая установка на орбите, которая производит облака «ультрахолодных» атомов, температура которых может достигать доли градуса выше абсолютного нуля, -273.15ºC — минимального предела температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Ничто в природе, как известно, не достигает температур, получаемых в лабораториях, таких как ЛХА (даже реликтовое излучение на пару градусов теплее), что означает, что орбитальная установка является самым холодным из известных нам мест во Вселенной.

Но зачем ученые производят облака атомов на доли градуса выше абсолютного нуля? И почему они делают это в космосе? Ради квантовой физики, конечно.

Зачем охлаждать атомы до такой предельно низкой температуры? Атомы при комнатной температуре, как правило, носятся как гиперактивные колибри, но ультрахолодные атомы движутся гораздо медленнее. В среднем ультрахолодные атомы могут быть более чем в 200 000 раз медленнее, чем атомы при комнатной температуре. Когда атомы охлаждаются от такой низкой температуры, они могут образовать крайне необычное пятое состояние материи — конденсат Бозе-Энштейна (первые четыре — это газ, жидкость, плазма и твердое тело).

В таком состоянии атомы действуют скорее как волны, чем частицы. Обычно волновые свойства атомов проявляются лишь в микроскопических масштабах, но конденсат Бозе-Энштейна делает это явление макроскопическим — а, значит, гораздо более простым для изучения. При охлаждении почти до температуры абсолютного нуля атомы занимают самое низкое энергетическое и квантовое состояние из возможных, становясь фактически неотличимыми друг от друга. Поэтому охлажденные атомные облака начинают походить на один «суператом» вместо группы отдельных атомов, что позволяет лучше узнать малоизведанный нами микромир.



Ежедневно все семь месяцев с момента запуска 21 мая 2018 года с космодрома НАСА Уоллопс в Вирджинии ЛХА производит ультрахолодные атомы. Пять групп ученых проведут эксперименты в этой лаборатории в течение первого года, и три из них уже проведены.

«С помощью ЛХА мы начинаем понимать, как атомы ведут себя в условиях микрогравитации, как ими управлять, как система отличается от той, которую мы используем на Земле», — сказал Роб Томпсон, физик, изучающий холодные атомы в Лаборатории реактивного движения в Пасадене, штат Калифорния, и ученый миссии ЛХА. «Это все знания, которые заложат основу для того, что, я надеюсь, даст светлое будущее изучению холодным атомам в космосе».

Лаборатории на Земле могут производить ультрахолодные атомы, но на Земле гравитация притягивает охлажденные атомные облака, и они быстро падают, предоставляя ученым лишь доли секунды, чтобы наблюдать за ними. Магнитные поля могут быть использованы для «захвата» атомов и удержания их на месте, но это ограничивает их естественное движение. В условиях микрогравитации облака холодных атомов плавают гораздо дольше (до 10 секунд), что дает ученым больше возможностей для их изучения.

Процесс создания облаков холодных атомов начинается с лазеров, которые благодаря световому давлению замедляют атомы, тем самым понижая температуру. Радиоволны «срезают» самых теплых членов группы, еще больше понижая среднюю температуру. Наконец, атомные облака освобождают из магнитной ловушки и позволяют им расширяться. Это приводит к падению давления, которое, в свою очередь, естественным образом вызывает еще большее падение температуры облака (явление схоже с тем, что баллон со сжатым воздухом становится холодным после использования). В космосе облако может расшириться сильнее, и, таким образом, достичь более низких температур, чем на Земле — примерно одной десятимиллиардной доли градуса выше абсолютного нуля, возможно, даже ниже.



Ультрахолодные атомные объекты на Земле обычно занимают целую комнату, и в большинстве случаев аппаратное обеспечение остается открытым, так что ученые могут отрегулировать установку в случае необходимости. Проектирование лаборатории холодного атома для космоса выявило несколько ограничений, некоторые из которых изменяют фундаментальный характер этих установок. Во-первых, вопрос размера: на МКС не так много места, так что ЛХА «утрамбовали» в две небольшие коробки, размерами не больше мини-холодильника. Во-вторых, лаборатория была разработана для удаленного управления с Земли, поэтому она была построена как полностью закрытый объект.

ЛХА также имеет ряд технологий, которые никогда ранее не использовались в космосе, таких как специализированные вакуумные ячейки, содержащие атомы, запечатанные так плотно, чтобы в них не могли проникнуть случайные атомы извне. Лаборатория должна была выдержать перегрузки при старте и полете на космическую станцию. Командам потребовалось несколько лет, чтобы разработать уникальное оборудование, способное выдержать все это и провести охлаждение атомов в космосе.

«Некоторые части системы требовали доработки, а некоторые части ломались так, как мы никогда раньше не видели», — сказал Роберт Шотвелл, главный инженер проекта ЛХА. «Лаборатория должна была иметь возможность быть разобранной и повторно собранной без потери работоспособности».

Вся тяжелая работа и решение проблем с момента создания миссии в 2012 году превратили мечты команды ЛХА в реальность в мае этого года. Члены команды ЛХА по видео в прямом эфире консультировали астронавтов Рика Арнольда и Дрю Фейстела на борту МКС по установке Лаборатории холодного атома, второй в своем роде, когда-либо работавшей в космосе, и первой, рассчитанной на долгую работу на орбите Земли. Кроме того, ЛХА также выполнила минимальные требования, установленные НАСА, чтобы считать миссию успешной, и сейчас является уникальным инструментом для изучения тайн природы.