Terlepas dari beberapa dekade penelitian yang sedang berlangsung, para ilmuwan berusaha memahami bagaimana keempat kekuatan fundamental dari Semesta saling menyatu. Sedangkan mekanika kuantum dapat menjelaskan bagaimana tiga gaya ini bekerja bersama-sama pada skala terkecil (elektromagnetisme, gaya nuklir lemah dan kuat), Relativitas Umum menjelaskan bagaimana benda-benda berperilaku pada skala terbesar (mis. Gravitasi). Dalam hal ini, gravitasi tetap bertahan.
Untuk memahami bagaimana gravitasi berinteraksi dengan materi pada skala terkecil, para ilmuwan telah mengembangkan beberapa eksperimen mutakhir. Salah satunya adalah Cold Atom Laboratory (CAL) milik NASA, yang terletak di atas ISS, yang baru-baru ini mencapai tonggak sejarah dengan menciptakan awan atom yang dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein (BEC). Ini adalah pertama kalinya BEC dibuat di orbit, dan menawarkan peluang baru untuk menyelidiki hukum fisika.
Awalnya diprediksi oleh Satyendra Nath Bose dan Albert Einstein 71 tahun yang lalu, BEC pada dasarnya adalah atom lewat dingin yang mencapai suhu tepat di atas nol mutlak, titik di mana atom harus berhenti bergerak sepenuhnya (dalam teori). Partikel-partikel ini berumur panjang dan dikendalikan dengan tepat, yang menjadikannya platform ideal untuk mempelajari fenomena kuantum.
Ini adalah tujuan dari fasilitas CAL, yaitu untuk mempelajari gas kuantum lewat dingin di lingkungan gayaberat mikro. Laboratorium ini dipasang di Lab Sains AS di atas ISS pada akhir Mei dan merupakan yang pertama di luar angkasa. Ini dirancang untuk memajukan kemampuan para ilmuwan untuk melakukan pengukuran presisi gravitasi dan mempelajari bagaimana ia berinteraksi dengan materi pada skala terkecil.
Sebagaimana Robert Thompson, ilmuwan proyek CAL dan seorang fisikawan di Jet Propulsion Laboratory NASA, menjelaskan dalam siaran pers baru-baru ini:
“Memiliki percobaan BEC yang beroperasi di stasiun ruang angkasa adalah mimpi yang menjadi kenyataan. Ini adalah jalan yang panjang dan sulit untuk sampai ke sini, tetapi benar-benar sepadan dengan perjuangan, karena ada banyak hal yang dapat kita lakukan dengan fasilitas ini. "
Sekitar dua minggu yang lalu, para ilmuwan CAL mengkonfirmasi bahwa fasilitas tersebut telah menghasilkan KBG dari atom rubidium - elemen logam putih lembut berwarna keperakan dalam kelompok alkali. Menurut laporan mereka, mereka telah mencapai suhu serendah 100 nanoKvin, satu-sepuluh juta dari satu Kelvin di atas nol mutlak (-273 ° C; -459 ° F). Ini kira-kira 3 K (-270 ° C; -454 ° F) lebih dingin dari suhu rata-rata ruang.
Karena perilaku mereka yang unik, KBG ditandai sebagai keadaan materi kelima, berbeda dari gas, cairan, padatan, dan plasma. Dalam BEC, atom bertindak lebih seperti gelombang daripada partikel pada skala makroskopik, sedangkan perilaku ini biasanya hanya dapat diamati pada skala mikroskopis. Selain itu, semua atom mengasumsikan tingkat energi terendah dan mengambil identitas gelombang yang sama, membuat mereka tidak dapat dibedakan satu sama lain.
Singkatnya, awan atom mulai berperilaku seperti "atom super" daripada atom individu, yang membuatnya lebih mudah untuk dipelajari. KBG pertama diproduksi di laboratorium pada tahun 1995 oleh tim sains yang terdiri dari Eric Cornell, Carl Wieman dan Wolfgang Ketterle, yang berbagi Hadiah Nobel Fisika 2001 untuk pencapaian mereka. Sejak saat itu, ratusan percobaan BEC telah dilakukan di Bumi dan beberapa bahkan telah dikirim ke luar angkasa dengan roket yang terdengar.
Tetapi fasilitas CAL adalah unik karena merupakan yang pertama dari jenisnya di ISS, di mana para ilmuwan dapat melakukan studi harian dalam jangka waktu yang lama. Fasilitas ini terdiri dari dua kontainer standar, yang terdiri dari "pengunci quad" yang lebih besar dan "pengunci tunggal" yang lebih kecil. Quad locker berisi paket fisika CAL, kompartemen tempat CAL akan menghasilkan awan atom ultra-dingin.
Ini dilakukan dengan menggunakan medan magnet atau laser terfokus untuk membuat wadah tanpa gesekan yang dikenal sebagai "perangkap atom". Ketika awan atom terkompresi di dalam perangkap atom, suhunya turun secara alami, semakin dingin semakin lama ia tetap dalam perangkap. Di Bumi, ketika perangkap ini dimatikan, gravitasi menyebabkan atom mulai bergerak lagi, yang berarti mereka hanya dapat dipelajari untuk sepersekian detik.
Di atas ISS, yang merupakan lingkungan gayaberat mikro, BEC dapat melakukan dekompresi ke suhu yang lebih dingin daripada dengan instrumen apa pun di Bumi dan para ilmuwan dapat mengamati BEC individu selama lima hingga sepuluh detik sekaligus dan mengulangi pengukuran ini hingga enam jam per hari. Dan karena fasilitas ini dikendalikan dari jarak jauh dari Pusat Operasi Misi Pengorbit Bumi di JPL, operasi sehari-hari tidak memerlukan intervensi dari para astronot di stasiun.
Robert Shotwell, kepala insinyur direktorat astronomi dan fisika JPL, telah mengawasi proyek ini sejak Februari 2017. Seperti yang ia tunjukkan dalam siaran pers NASA baru-baru ini:
“CAL adalah instrumen yang sangat rumit. Biasanya, percobaan BEC melibatkan peralatan yang cukup untuk mengisi ruangan dan membutuhkan pemantauan hampir konstan oleh para ilmuwan, sedangkan CAL adalah tentang ukuran kulkas kecil dan dapat dioperasikan dari jarak jauh dari Bumi. Itu adalah perjuangan dan diperlukan upaya signifikan untuk mengatasi semua rintangan yang diperlukan untuk menghasilkan fasilitas canggih yang beroperasi di stasiun ruang angkasa hari ini. "
Ke depan, para ilmuwan CAL ingin melangkah lebih jauh dan mencapai suhu yang lebih rendah dari apa pun yang dicapai di Bumi. Selain rubidium, tim CAL juga berupaya membuat BECS menggunakan dua isotop atom kalium yang berbeda. Saat ini, CAL masih dalam tahap commissioning, yang terdiri dari tim operasi yang melakukan serangkaian tes panjang untuk melihat bagaimana fasilitas CAL akan beroperasi dalam gayaberat mikro.
Namun, begitu itu berjalan dan berjalan, lima kelompok sains - termasuk kelompok yang dipimpin oleh Cornell dan Ketterle - akan melakukan eksperimen di fasilitas itu selama tahun pertamanya. Fase sains diperkirakan akan dimulai pada awal September dan akan berlangsung selama tiga tahun. Seperti Kamal Oudrhiri, manajer misi JPL untuk CAL, katakan:
“Ada tim ilmuwan dunia yang siap dan bersemangat untuk menggunakan fasilitas ini. Beragam eksperimen yang mereka rencanakan akan lakukan berarti ada banyak teknik untuk memanipulasi dan mendinginkan atom yang perlu kita adaptasi untuk gayaberat mikro, sebelum kita menyerahkan instrumen kepada peneliti utama untuk memulai operasi sains. "
Waktu yang diberikan, Cold Atom Lab (CAL) dapat membantu para ilmuwan untuk memahami bagaimana gravitasi bekerja pada skala terkecil. Dikombinasikan dengan eksperimen berenergi tinggi yang dilakukan oleh CERN dan laboratorium fisika partikel lainnya di seluruh dunia, ini pada akhirnya dapat mengarah pada Teori Segala Sesuatu (ToE) dan pemahaman lengkap tentang cara kerja Semesta.
Dan pastikan untuk melihat video keren ini (no pun!) Dari fasilitas CAL juga, milik NASA:
