K čemu slouží pátý stav hmoty vytvořený na ISS?

TLDR: Hmota využívaná v kvantových experimentech poprvé vznikla mimo Zemi. Na palubě Mezinárodní vesmírné stanice má vyšší výdrž a mohla by sloužit k novým objevům. Studie tu.

Kvantové Gaspacho

Je to sice zpráva již z minulých týdnů, ale v rámci fyzikálních pokusů se k ní přesto musím vrátit detailněji. Jak totiž zveřejnil žurnál Nature v půlce června, na palubě Mezinárodní vesmírné stanice byl poprvé vytvořen „Pátý stav hmoty“, takzvaný Bose-Einsteinův kondenzát. To zní fenomenálně, žejo! Ale pokud nejste zrovna fyzik z povolání, možná to zní také stejnou měrou záhadně. V čem je tedy jeho kosmická premiéra zajímavá? Inu, překvapivě nejde matroš, co by se Ryan Reynoldsovi hodil proti mimozemským mutantním biočichům…

Nejprve pojďme na to, vo co go. Bose-Einsteinův kondenzát je látkou, která má typicky formu velmi řídkého plynu, jenž je následně lasery ochlazen extrémně blízko k absolutní nule. Už tady je potřeba udělat další odbočku. Jak je možné laserem něco ochladit, když většinou lasery spíš věci řežou, svařují nebo rovnou vyhazují do povětří planety vesmírných princezen?

Všechen trik je (kromě vhodné intenzity) v tom použít lasery o správně zvolené vlnové délce. Paprskomety ochlazující B-E kondenzát pracují s vlnovou délkou jen mírně nad tou, kterou by dané atomy snadno absorbovaly. Teplo není na atomárních škálách nic jiného, než vibrace a pohyb. Ty atomy, které se pak zrovna pohybují proti směru laseru, ji pak vidí dopplerovým jevem malinko kratší a rády tyto fotony pohltí, což je nakopne proti směru tepelného pohybu – čili vyzáření tepla.

A právě ono soustavné ťukání proti směru pohybu vzorek jako celek ochladí tolik, že v něm zůstanou místo všudypřítomných vibrací jen občasné jednotlivé mechanické vlny (fonony) a větší část je již bez pohybu. Tolik tedy k ochlazování laserem. Docela cool, ne? Fajn, ale k čemu nám tahle polívka Gaspacho je, a proč se hodí ji mít na ISS?

Christina Koch s experimentem Cold Atom Laboratory. Zdroj: NASA/JSC

Mimo šum Země

Výsledný Bose-Einsteinův kondenzát je pozoruhodný hlavně pro experimentální hraní si s kvantovou fyzikou. „Pátý stav hmoty“ zní esotericky – ale když přivřu všechny oči, uši a další otvory, Bose-Einsteinův kondenzát je fakticky tak trochu hmota, která jako „reverzní Ant-Man“ zvětšuje některé mikrojevy do nám známého světa. Kondenzát totiž vykazuje některé kvantové jevy i makroskopicky.

Díky extrémnímu podchlazení velkého množství hmoty se totiž na „větší“ měřítko (obvykle se furt bavíme o škále atomů, ne almary z vaší ložnice) začnou projevovat pravidla kvantové fyziky, obvykle vyhrazená menším velikostem. Hrátky s kondenzátem nám tak jednak můžou otevřít některé nové materiály, jenž bychom narvali do budoucích počítačů, ale jednak jde i o důležitý experimentální nástroj kvantové fyziky. A poznávání pravidel života, vesmíru a vůbec.

No fajn, tohle ale umíme již od roku 1995. Co je tedy na tom, že se podobný aparát nyní zprovoznil v prostředí mikrogravitace?

Jde především o to, jak vzorek (a z něj vzniknuvší kondenzát) drží pohromadě. Používají se k tomu magnetické pasti. Nicméně jejich působení na vzorek znemožňuje nebo limituje možnosti některých experimentů, které bychom na kondenzátu chtěli provádět. Při nich je tedy potřeba past uvolnit a nechat kondenzát volně se pohybovat a expandovat bez okolních vlivů.

Pasti na Zemi přitom musí být výrazně silnější, aby vzorek udržely i před volným pádem v gravitačním poli. Jenže na oběžné dráze, kde je gravitační pole výrazně slabší, můžou být pasti slabší – a experimentování je tak prostší ruchů. Přičemž, ve světě kvantových jevů můžou ony ruchy být dost zásadní ničitel měření

Dá se říct, že čím silnější past musí být, tím rychleji se atomy kondenzátu „rozprsknou“ do okolí po jejím uvolnění – nemluvě o tom že k tomu na Zemi začnou padat volným pádem.

Zdroj: KnowYourMeme/Getty/Reddit, vlastní

Na počátku objevování

Možnost hrát si s kondenzátem v mikrogravitaci, by nás tedy mohla posunout mnohem dále ve studiu kvantového světa i kondenzátu jako takového. Samože, červnová studia je v tomto ohledu jenom první výstřel. Již ten má ale pozoruhodné vlastnosti!

Celkem bylo tedy na ISS možné vývoj po uvolnění pasti pozorovat ~10s, z čehož po 1.118s si materiál udržel formu kondenzátu. Oba tyto časové údaje jsou unikátní, na Zemi typické pozorování trvá jen zlomky sekund a stav kondenzátu zaniká řádově rychleji

Bude kvůli tomu levnější chleba? To si povíme za jedno či dvě století. Jako tradičně musím v tomhle okamžiku připomenout, že teoretické poznávání elektromagnetismu sahá až na počátek 19. století. K čemu nám všechny ty srandy s neviditelnými poli budou, tázala se řada lidí při čtení popularizačních popisů páně Maxwella a mnoha jiných! A k čemu nám budou popisy jednotlivých elektronů? Naučíme se s nimi snad žonglovat?

Rádio, televize, elektronika – všechno to, proč tyto řádky můžete číst na počítači (dost možná kapesním!) kilometry od místa, kde byly napsány – to vše začínalo jako čistě teoretické poznávání toho, jak funguje svět. Jinak řečeno: nevím, k čemu nám Bose-Einsteinův vývar na oběžné dráze bude po praktické stránce. Ale vím, proč je podobná otázka nesmyslná.

Pamatuju se, že když jsem byl malý, stavba (tehdy teprve vymýšlené) Mezinárodní vesmírné stanice byla mnohdy zdůvodňována možností provádět unikátní materiálové a fyzikální pokusy mimo Zemi. Nechci určitě říct, že vytvořené Bose-Einsteinova kondenzátu je první podobný pokus na palubě ISS, to určitě ne! Ale jde rozhodně o pomyslný vrchol toho, jak by nám naše trvalá základna na oběžné dráze mohla pomoct v poznávání toho, jak tiká vesmír i tady u nás na Zemi!

A pokud mrznoucí lasery jednou použije Ryan Reynolds k tomu, aby zlikvidoval marťanskou Věc na palubě stanice, bude z toho jenom příjemný bonus.

[Tomáš Komárek, LL]

Na ISS se testují i roboti! I když zatím… ne moc úspěšně.

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je vedatororg@seznam.cz

Diskuze

Reklama