Laboratoř Cold Atom Lab agentury NASA se snaží vygenerovat pátý stav hmoty, aby otestovala základní Einsteinovy principy a otevřela cestu k „kvantové fyzice 2.0“.
Mikrochladnička obíhající kolem Země na palubě Mezinárodní vesmírné stanice se stala nejslibnějším nástrojem k ověření, zda Einsteinova fyzika obstojí i v těch nejextrémnějších představitelných podmínkách. Cold Atom Lab, známý jako CAL, není jen tak nějaká domácí spotřebič: jedná se o kompaktní laboratoř navrženou k ochlazování atomů na teploty, kterých je na naší planetě prakticky nemožné dosáhnout.
Proč laboratoř pro extrémní chlad ve vesmíru?
Podmínky, které nabízí orbitální mikrogravitace, nelze v žádném pozemském zařízení napodobit. Právě proto se vesmírné mise nesnaží pouze o využití obytných struktur nebo ověření životaschopnosti mimo Zemi: vesmír představuje jedinečné testovací prostředí pro ověření vědeckých teorií, které na zemském povrchu narážejí na nepřekonatelné překážky.
Konkrétně se CAL snaží vygenerovat takzvané Bose-Einsteinovy kondenzáty, což je stav hmoty natolik exotický, že se na Zemi přirozeně nevyskytuje. Albert Einstein a indický fyzik Satyendra Nath Bose jej teoreticky popsali ve 20. letech 20. století a od té doby se vědci pokoušejí jej vyrobit a důkladně prozkoumat. Tento pátý stav hmoty se objevuje pouze při teplotách extrémně blízkých absolutní nule, tedy kolem -273,15 °C. Při takové teplotě atomy přestávají jednat individuálně a začínají se pohybovat unisono, čímž vytvářejí jedinou vlnu hmoty, jako by se všechny spojily do jediného celku.
Velkým problémem, s nímž se vědci dosud potýkali, je to, že zemská gravitace rozptýlí oblaka atomů tvořící tyto kondenzáty během zlomků sekundy, což ponechává jen několik okamžiků na jejich pozorování. V prostředí mikrogravitace na orbitální stanici však mohou tyto oblaky zůstat stabilní po celé sekundy, za optimálních podmínek dokonce až deset sekund. Tento zdánlivě nepatrný rozdíl otevírá cestu k nesrovnatelně přesnějším měřením.
Nedávná vylepšení pro rozhodující experiment
Od května letošního roku prošlo zařízení CAL řadou technických vylepšení, jejichž cílem je posílit jeho experimentální schopnosti. Konečným cílem těchto vylepšení je přeměnit zařízení na modul schopný spolehlivě vytvářet tento stav hmoty, který v našem prostředí přirozeně neexistuje, a umožnit tak vědcům „sklízet“ nebo alespoň podrobně pozorovat vzniklé Bose-Einsteinovy kondenzáty.
Od Einsteina k temné hmotě: o co jde?
Vedoucí projektu mají ambiciózní cíle. V první řadě chtějí ověřit, zda Einsteinův princip ekvivalence, jeden z pilířů obecné relativity, zůstává platný i za těchto extrémních podmínek. Kromě toho se snaží vyhledat možné signály temné hmoty, té neviditelné substance, kterou astrofyzici považují za klíčovou pro pochopení struktury vesmíru. A konečně by shromážděné údaje mohly položit základy pro vývoj budoucích, mnohem citlivějších detektorů gravitačních vln.
Ethan Elliott, vědec z Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA, neváhá označit možné objevy CAL za počátek „kvantové fyziky 2.0“. Abychom pochopili dosah tohoto tvrzení, stačí si připomenout, že první kvantová revoluce 20. století umožnila vznik tak běžných technologií, jako jsou lasery, mobilní telefony nebo magnetická rezonance. Tato nová fáze naopak usiluje o přímou manipulaci s kvantovými stavy ve velkém měřítku. Ředitel projektu Kamal Oudrhiri tuto vizi podporuje a hovoří dokonce o něčem, co připomíná filmy od Marvelu: o ovládání hranice mezi kvantovým a klasickým světem.
V oblasti dlouhodobějších praktických aplikací by tyto techniky, pokud dosáhnou potřebné vyspělosti, mohly vést k vývoji ultrapřesných gravitačních senzorů nebo atomových hodin s bezprecedentní přesností, které jsou zásadní pro systémy autonomní navigace. Odborníci však vyzývají k opatrnosti: jedná se o výzkum základní fyziky, který je stále ve vývoji, a jakékoli konkrétní aplikace budou záviset na tom, zda probíhající experimenty potvrdí předpokládané zvýšení citlivosti.