物理学家希望利用太空中的超冷气体来测量地球的引力场,对爱因斯坦的等效原理进行精确的测试,同时也希望能探测到引力波。探空火箭的首次飞行使现在能够测试这种性质的测量所需的必要技术和实验步骤。在此过程中,该小组产生了玻色-爱因斯坦凝聚态,并能够第一次在空间中研究它的性质。
2017年1月23日欧洲中部时间凌晨3:30,研究火箭MAIUS-1从瑞典Esrange航天中心发射,进行了15分钟的飞行。这次飞行携带了创造玻色-爱因斯坦凝聚体的实验载荷铷原子它将用于在240公里的高度进行精确测量。超冷量子气体可以在零重力条件下用作高精度的重力传感器,例如,以确定物体是否在同一引力场实际上下降的速度和标准理论预测的一样。零重力使得验证爱因斯坦所谓的等效原理成为可能,比在地球上验证要准确得多。莱布尼茨Universität汉诺威领导的研究小组的美因茨代表是美因茨约翰内斯古登堡大学(JGU)物理研究所的Patrick Windpassinger教授。
在15分钟的飞行中,研究人员每2到4秒就通过自动过程从铷原子中产生玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚态是一种物质状态,其中原子的温度非常接近绝对零度,因此可以非常精确地控制。研究人员利用激光脉冲将凝聚态转化为所谓的量子力学叠加态。“这意味着原子在同一时间处于两个不同的位置,”德国国家研究网络项目负责人之一的帕特里克·温德帕辛格教授解释说。这种状态使得精确测量影响原子的力成为可能。
引力实验也适用于地球,比如在落差塔中进行的测量。然而,在零重力下的观测时间要长得多,因此得到的结果更准确。
这个研究项目是十多年工作的结果。Windpassinger说:“从技术角度来看,这是有史以来乘坐火箭升空的最复杂的实验之一。”“实验必须足够紧凑和坚固,以承受发射期间的振动,但也要足够小和轻,以适应火箭内部。”
美因茨物理学家提供了激光系统的软件算法
美因茨大学的研究人员专门为MAIUS-1火箭开发了一种特殊的软件算法,帮助正确控制实验的激光系统。的激光系统它本身也必须经过多年的精心开发、测试和建造。在Achim Peters教授的带领下,Humboldt-Universität zu Berlin和Ferdinand Braun Institute, Leibniz Institute for High-Frequency Technology (FBH)的一个团队使用小型化的二极管激光器完成了这项任务。美因茨约翰内斯古登堡大学的科学家们与Universität Hamburg的克劳斯·森斯托克教授领导的团队密切合作,开发了光束分布和操纵系统。该系统采用了美因茨肖特公司生产的一种特殊玻璃陶瓷Zerodur,这种玻璃陶瓷在温度变化时非常稳定。
随着硬件和软件的发展,仍然有一些不可预测的因素会在这样的工作中造成复杂性。“如果你运气不好,火箭发射可能会被一次又一次地推迟几天甚至几个月——因为技术问题,恶劣的天气,或者是因为着陆点附近有一群驯鹿,”André Wenzlawski博士说,他是Patrick Windpassinger教授团队的研究助理,代表美因茨大学参加了在瑞典举行的火箭发射。“因此,我们很高兴它成功了。”但是,现在下结论或得出结论还为时过早。未来几年还计划在国际空间站进行另外两项火箭任务和实验。
MAIUS-1高空研究火箭任务是由莱布尼茨Universität汉诺威,不莱梅大学,约翰内斯古登堡大学美因茨,Universität汉堡,Humboldt-Universität祖柏林,柏林费迪南德布劳恩研究所,达姆施塔特工业大学,乌尔姆大学和德国航空航天中心(DLR)联合实施的一个项目。该项目的资金由德国航天中心空间任务管理部门安排,资金由德国联邦经济事务和能源部根据德国联邦议院的一项决议提供。
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