doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6
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#Relatividade
O Laboratório de Átomos Frios da NASA na Estação Espacial Internacional usa tecnologia quântica para ciência espacial avançada, oferecendo novos insights sobre campos gravitacionais, matéria escura e energia escura, e testando aspectos da relatividade geral em microgravidade
Futuras missões espaciais podem usar tecnologia quântica para rastrear água na Terra, explorar a composição de luas e outros planetas, ou sondar fenômenos cósmicos misteriosos.
O Laboratório de Átomos Frios da NASA, uma instalação pioneira a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS), deu mais um passo em direção à revolução de como a ciência quântica pode ser usada no espaço. Membros da equipe científica mediram vibrações sutis da estação espacial com uma das ferramentas de bordo do laboratório, a primeira vez que átomos ultrafrios foram empregados para detectar mudanças no ambiente circundante no espaço.
O estudo, publicado na Nature Communications em 13 de agosto, também relata a mais longa demonstração da natureza ondulatória dos átomos em queda livre no espaço.
Avanços em medições quânticas
A equipe científica do Cold Atom Lab fez suas medições com uma ferramenta quântica chamada interferômetro atômico, que pode medir precisamente a gravidade, campos magnéticos e outras forças. Cientistas e engenheiros na Terra usam essa ferramenta para estudar a natureza fundamental da gravidade e avançar tecnologias que auxiliam a navegação de aeronaves e navios. (Celulares, transistores e GPS são apenas algumas outras tecnologias importantes baseadas na ciência quântica, mas não envolvem interferometria atômica.)
O Laboratório de Átomos Frios da NASA na Estação Espacial Internacional é regularmente o ponto mais frio conhecido no universo. Mas por que os cientistas estão produzindo nuvens de átomos uma fração de grau acima do zero absoluto? E por que eles precisam fazer isso no espaço? Física quântica, é claro. Veja como o CAL está ajudando os cientistas a aprender mais sobre a física por trás de coisas como tecnologia miniaturizada e a natureza fundamental das partículas que compõem tudo o que vemos. Crédito: NASA Jet Propulsion Laboratory
Os físicos estão ansiosos para aplicar a interferometria atômica no espaço porque a microgravidade permite tempos de medição mais longos e maior sensibilidade do instrumento, mas o equipamento extremamente sensível foi considerado muito frágil para funcionar por longos períodos sem assistência prática. O Cold Atom Lab, que é operado remotamente da Terra, agora mostrou que é possível.
Atingir esse marco foi incrivelmente desafiador, e nosso sucesso nem sempre foi garantido, – disse Jason Williams, cientista do projeto Cold Atom Lab no Jet Propulsion Laboratory da NASA no sul da Califórnia. Foi preciso dedicação e senso de aventura da equipe para fazer isso acontecer. –
O Cold Atom Lab da NASA, mostrado onde está instalado a bordo da Estação Espacial Internacional, demonstrou recentemente o uso de uma ferramenta chamada interferômetro atômico que pode medir precisamente a gravidade e outras forças e tem muitas aplicações potenciais no espaço. Crédito: NASA/JPL-Caltech[]
Insights gravitacionais e além
Sensores baseados no espaço que podem medir a gravidade com alta precisão têm uma ampla gama de aplicações potenciais. Por exemplo, eles podem revelar a composição de planetas e luas em nosso sistema solar, porque diferentes materiais têm densidades diferentes que criam variações sutis na gravidade.
Este tipo de medição já está sendo realizado pela colaboração EUA-Alemanha GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on), que detecta pequenas mudanças na gravidade para rastrear o movimento da água e do gelo na Terra. Um interferômetro atômico pode fornecer precisão e estabilidade adicionais, revelando mais detalhes sobre mudanças na massa da superfície.
Medições precisas da gravidade também podem oferecer insights sobre a natureza da matéria escura e da energia escura, dois grandes mistérios cosmológicos. A matéria escura é uma substância invisível cinco vezes mais comum no universo do que a matéria regular que compõe planetas, estrelas e tudo o mais que podemos ver. Energia escura é o nome dado ao condutor desconhecido da expansão acelerada do universo.
A interferometria atômica também pode ser usada para testar a teoria da relatividade geral de Einstein de novas maneiras, – disse o professor Cass Sackett da Universidade da Virgínia, um dos principais pesquisadores do Cold Atom Lab e coautor do novo estudo. Esta é a teoria básica que explica a estrutura em larga escala do nosso universo, e sabemos que há aspectos da teoria que não entendemos corretamente. Esta tecnologia pode nos ajudar a preencher essas lacunas e nos dar uma imagem mais completa da realidade que habitamos.
O Cold Atom Lab da NASA estuda a natureza quântica dos átomos, os blocos de construção do nosso universo, em um lugar que está fora deste mundo – a Estação Espacial Internacional. Este explicador animado explora o que é ciência quântica e por que a NASA quer fazê-la no espaço.
Crédito
NASA/JPL-Caltech
The Cold Atom Lab: Um laboratório quântico de microgravidade
Do tamanho de uma minigeladeira, o Cold Atom Lab foi lançado para a estação espacial em 2018 com o objetivo de avançar a ciência quântica ao colocar uma instalação de longo prazo no ambiente de microgravidade da órbita baixa da Terra. O laboratório resfria átomos a quase zero absoluto, ou menos 459 graus Fahrenheit (menos 273 graus Celsius). Nessa temperatura, alguns átomos podem formar um condensado de Bose-Einstein, um estado da matéria em que todos os átomos compartilham essencialmente a mesma identidade quântica. Como resultado, algumas das propriedades quânticas tipicamente microscópicas dos átomos se tornam macroscópicas, tornando-as mais fáceis de estudar.
As propriedades quânticas incluem às vezes agir como partículas sólidas e às vezes como ondas. Os cientistas não sabem como esses blocos de construção de toda a matéria podem transitar entre comportamentos físicos tão diferentes, mas estão usando tecnologia quântica como a que está disponível no Cold Atom Lab para buscar respostas.
Na microgravidade, os condensados “”de Bose-Einstein podem atingir temperaturas mais frias e existir por mais tempo, dando aos cientistas mais oportunidades de estudá-los. O interferômetro atômico está entre várias ferramentas na instalação que permitem medições de precisão ao aproveitar a natureza quântica dos átomos.
Devido ao seu comportamento semelhante a uma onda, um único átomo pode viajar simultaneamente por dois caminhos fisicamente separados. Se a gravidade ou outras forças estiverem agindo sobre essas ondas, os cientistas podem medir essa influência observando como as ondas se recombinam e interagem.
Explorando Futuros Quânticos
Espero que a interferometria atômica baseada no espaço leve a novas descobertas emocionantes e tecnologias quânticas fantásticas que impactem a vida cotidiana, e nos transporte para um futuro quântico, – disse Nick Bigelow, professor da Universidade de Rochester em Nova York e pesquisador principal do Cold Atom Lab para um consórcio de cientistas dos EUA e da Alemanha que foram coautores do estudo.
Publicado em 27/08/2024 19h53
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