For snart 100 år siden sendte en dengang ukendt indisk fysiker ved navn Santyendra Bose et brev til Albert Einstein.
I brevet til den berømte, tyske fysiker beskrev Bose sine tanker om lys og fotoner. Det var vilde, nye tanker, som Bose havde fået afvist i et videnskabeligt tidsskrift. Men Einstein kunne se, at den indiske fysiker havde fat i noget.
Einstein bryggede videre på Boses ideer, og sammen endte de to fysikere med at udvikle teorien om et fænomen, som i dag er kendt som Bose-Einstein-kondensatet: En isnende kold sky af atomer, som ‘klumper sig sammen’ - og som rent ud sagt opfører sig mærkeligt.
»I mange årtier var Bose-Einstein-kondensatet kun noget, man kunne tænke sig til teoretisk. Einstein syntes selv, at teorien var mærkelig, og han var ikke sikker på, at Bose-Einstein-kondensater kunne eksistere i virkeligheden, eller om der kun var tale om et teoretisk fænomen,« fortæller Jan Arlt, som er fysik-lektor på Aarhus Universitet og forsker i Bose-Einstein-kondensater.
I dag bliver endnu et kapitel skrevet i historien om de iskolde atomskyer. I det videnskabelige tidsskrift Nature kan en amerikansk forskergruppe afsløre, at de er lykkedes med at skabe et Bose-Einstein-kondensat ombord på Den Internationale Rumstation, ISS.
»Det er ikke bare en teknologisk landvinding, men det kan også føre til en forbedring af vores forståelse for grundlæggende fysik,« skriver de tyske kvantefysikere Maike D. Lachmann og Ernst M. Rasel i en kommentar til studiet, som også er publiceret i Nature.
Bose-hvad-for-noget?
Før vi går videre med historien om den nye landvinding i rummet - og hvorfor den kan være med til at bringe vores fysikforståelse fremad - skal vi lige have lidt bedre styr på, hvad et Bose-Einstein-kondensat egentlig er for noget.
Måske har du lært i fysik, at temperatur også kan beskrives som bevægelse; jo koldere luften i rummet omkring dig er, des langsommere bevæger luftens molekyler sig.
Hvis luften eller en anden slags gas kunne køles ned til den koldest mulige temperatur - også kaldet det absolutte nulpunkt - ville gassen være -273,15 ⁰Celcius (eller 0 Kelvin). Ved denne temperatur står alle molekyler og atomer i gassen helt stille, og det kan altså ikke blive koldere.
»Når du laver et Bose-Einstein-kondensat, køler du en gas ned, så temperaturen er meget, meget tæt på det absolutte nulpunkt. Det betyder, at alle atomer i gassen forholder sig i ro, og de opfører sig fuldstændig ens,« fortæller Jan Arlt og tilføjer:
»Det er meget anderledes end ved højere temperaturer. Normalt vil atomerne opføre sig forskelligt. Nogle atomer vil bevæge sig hurtigt - andre vil bevæge sig langsomt. Deres gennemsnitlige hastighed kalder vi for temperaturen.«
Hvis du kunne zoome ind på molekylerne/atomerne i luften omkring dig (eller en anden gas), ville du kunne se, at de konstant bevæger sig. Jo varmere luften er, des hurtigere bevæger de sig. Hvis du omvendt køler en gas ned, vil gassens atomer bevæge sig langsommere og langsommere, jo koldere den bliver. (Gif: Greg A L)
Styr på tropperne
Med andre ord fiser atomerne i en gas normalt rundt med vidt forskellige hastigheder. Men i et Bose-Einstein-kondensat har forskerne fået ro på tropperne. Skyen af atomer forholder sig alle sammen ens, pænt og roligt, forklarer Jan Arlt.
»Alle atomerne befinder sig i den samme kvantetilstand. Det vil sige, at de klumper sig sammen og opfører sig som en enkelt enhed. Det gør dem til et rigtig godt vindue til at studere fænomener fra kvantefysikken,« fortæller Jan Arlt.
Kvantefysikken er en vigtig gren af fysikken, som opstår, når du zoomer ind på jordens mindste bestanddele - atomer, molekyler, lyspartikler (fotoner) og lignende. I kvantefysikkens mikro-verden gælder der helt andre spilleregler end i den ‘klassiske’ fysik, som vi kender fra hverdagen.
Ifølge kvantefysikken kan en partikel for eksempel befinde sig to steder på én gang, og en foton kan både opføre sig som en partikel og som en bølge. På én og samme tid (ja - vi ved godt, det er mærkeligt og svært at forstå, men sådan er det altså bare med kvantefysikken….)
»Bose-Einstein-kondensater er nyttige objekter til at teste kvantefysikken, fordi hele skyen af atomer kan betragtes som en enkelt bølge af stof,« forklarer de tyske kvantefysikere Maike D. Lachmann og Ernst M. Rasel i deres kommentar til det nye studie.
\ Læs mere
Et iskoldt forstørrelsesglas
Frem for at studere et enkelt atoms opførsel kan forskerne altså studere en hel sky, som består af op mod en million atomer.
Bose-Einstein-kondensatet fungerer altså som en slags ‘forstørrelsesglas’, der gør det muligt for forskerne at kigge på kvantefysikkens mystiske fænomener i større skala.
Og det er blandt andet derfor, at forskerne mener, at Bose-Einstein-kondensater kan være med til at øge vores forståelse for fundamental fysik.
»Jeg tror, at det vigtigste ved denne forskning er, at vi måske har fået et nyt paradigme for, hvordan vi laver fysik i fremtiden. Tidligere er vores store, nye indsigter kommet fra partikelacceleratorer og astronomiske observatorier. Fremover tror jeg, at forskning, som anvender kolde atomer, vil spille en stadig vigtigere rolle,« skriver en af de ledende forskere bag det nye studie, Robert Thompson fra NASA's Jet Propulsion Laboratory, i en e-mail til Videnskab.dk
\ Bose-Einstein-kondensat
Et Bose-Einstein-kondensat er en tæt sky af atomer, som køles ned til ultrakolde temperaturer, meget tæt på det absolutte nulpunkt (-273,15 ⁰Celcius).
De første Bose-Einstein-kondensater blev skabt i 1995 af to amerikanske forskergrupper.
Den ene gruppe brugte skyer af rubidium-atomer. Den anden brugte skyer af natrium-atomer. I dag kan forskerne også bruge andre grundstoffer.
Bose-Einstein-kondensatet, som er skabt på Den Internationale Rumstation, består af en sky af rubidium-atomer.
Kilder: Jan Arlt /Nature.
Nobelprisen for ultrakold atomsky
Det kræver imidlertid mere end en almindelig dybfryser at skabe det isnende kolde ‘forstørrelsesglas,’ som kan vise os kvantefysikkens verden, forklarer Jan Arlt.
»Det er et vanskeligt eksperiment at skabe et rent Bose-Einstein-kondensat, og i de første 70 år, efter at fænomenet var blevet forudsagt af Einstein og Bose, var det ikke muligt. Det lykkedes først i 1995,« fortæller Jan Arlt.
Oprindeligt var det to amerikanske forskergrupper, som med få måneders mellemrum - og uafhængigt af hinanden - skabte de første Bose-Einstein-kondensater.
Begge grupper vandt Nobelprisen for deres eksperimenter i 2001, men i dag kan laboratorier verden over fremstille Bose-Einstein-kondensater.
Jan Arlt og kollegerne fremstiller dem eksempelvis i deres laboratorium i Aarhus. Og nu er der altså også blevet skabt et Bose-Einstein-kondensat ombord på Den Internationale Rumstation.
Men hvorfor overhovedet gøre sig den ulejlighed?
Vægtløst Bose-Einstein-kondensat
Jan Arlt forklarer, at eksperimentet i rummet er noget særligt, fordi Bose-Einstein-kondensatet er vægtløst ligesom astronauterne. Eksperimentet bliver med andre ord ikke forstyrret af tyngdekraften i samme grad som nede på Jorden.
»Når man laver et Bose-Einstein-kondensat, skal man først fange atomskyen i en fælde. Man kan enten bruge magneter eller laserlys til at indfange atomskyen. Når man så vil studere atomskyen, slipper man den fri af fælden. Men man har kun meget kort tid, for tyngdekraften trækker i atomskyen, så den ryger ned mod jorden og bliver opløst,« forklarer Jan Arlt.
\ »Et stort teknologisk spring«
»Alene det at være i stand til at fremstille et instrument, der pålideligt kan producere Bose-Einstein-kondensater i over et år, er et stort teknologisk spring og viser, at denne teknologi er klar til en række forskellige anvendelser i rummet.«
»Derudover har vi lært meget om at manipulere, nedkøle og kontrollere disse utroligt skrøbelige kvantetilstande, og det vil være essentielt for fremtidige missioner,« udtaler Robert Thompson, som er projektforsker for NASA's Cold Atom Lab-mission og en af hovedforfatterne til det nye studie til Videnskab.dk
På rumstationen kan forskerne imidlertid drage fordel af, at atomskyen er vægtløs, og det giver forskerne længere tid til at studere atomskyen, før den bliver ødelagt.
»Når jeg slipper et Bose-Einstein-kondensat fri fra en fælde i mit laboratorium, har jeg cirka 50 millisekunder (0,05 sekunder, red.), før den er faldet så langt ned, at jeg ikke længere kan se den på mit kamera. I forsøget på rumstationen har de opnået at studere Bose-Einstein-kondensatet i et helt sekund. Det giver en langt større nøjagtighed i deres målinger,« forklarer Jan Arlt.
Og netop det var et af de store mål, da forskerne sendte deres mini-laboratorium, kaldet Cold Atom Lab, op til Den Internationale Rumstation i 2018: At skabe Bose-Einstein-kondensater, som kunne studeres gennem længere tid - og dermed mere nøjagtigt - end hvad der er muligt på Jorden.
'Et kæmpe skridt'
»Studiet viser først og fremmest, at de har opnået det teknologiske mål at producere et Bose-Einstein-kondensat oppe på rumstationen. Det er en stor udfordring, fordi alle komponenter skal sendes derop og fungere fuldsautomatisk. Så det er et kæmpe skridt, og det betyder, at de nu kan lave endnu flere studier af Bose-Einstein-kondensater i vægtløshed,« forklarer Jan Arlt.
Det er imidlertid ikke første gang, at et Bose-Einstein-kondensat bliver studeret i rummet, påpeger Jan Arlt.
I 2017 sendte en tysk forskergruppe med Ernst M. Rasel i spidsen en raket af sted, og de tyske forskere nåede at lave 110 eksperimenter med Bose-Einstein-kondensater i vægtløshed ombord på raketten.
»Der er også forskere, som bygger 10 meter høje tårne og slipper deres Bose-Einstein-kondensater fri i toppen af tårnet, fordi det giver dem længere tid til at studere atomskyen, mens den er i frit fald mod jorden,« fortæller Jan Arlt.
Nu tænker du måske:
Hvad i alverden skal det altsammen gøre godt for? Hvorfor gøre sig al den ulejlighed med at bygge tårne og sende avanceret forsøgsudstyr ud i rummet?
\ Læs mere
Hvad får vi ud af det?
Det korte svar er, at der er tale om grundforskning, som skal gøre os klogere på verden omkring os. Men ifølge Jan Arlt er der også mere specifikke mål med Bose-Einstein-kondensat-forskningen.
Den ene gren af forskningen sigter mod at gøre os i stand til at lave mere nøjagtige målinger. For eksempel har vi brug for ekstremt nøjagtige målinger af tiden - målt med såkaldte atomure - for at få præcise positioner på vores GPS på mobiltelefonen.
»Vi lægger ikke mærke til det i dagligdagen, men hver gang du bruger din GPS, modtager din telefon signaler fra fire forskellige atomure ombord på satellitter. Ud fra de signaler bliver din position beregnet,« forklarer Jan Arlt og tilføjer:
»Det er et eksempel på et fremskridt, som kan lade sig gøre fordi vi har fået mere præcise målinger. På samme måde kan Bose-Einstein-kondensater på længere sigt være med til at give os målinger med endnu større præcision, og det vil åbne flere teknologiske muligheder.«
De mere nøjagtige målinger kan blandt andet bruges til forbedring af vores navigation i rummet og måske endda hjælpe forskerne med at løse nogle af universets store gåder, lyder det fra NASA-forskeren Robert Thompson.
»Anvendelsen af præcisionsmålinger, som bruger kolde atomer, spænder fra at teste den generelle relativitet og søge efter mørkt stof og tyngdebølger til navigation med rumskibe og søgning efter mineraler på Månen og andre planeter,« påpeger Robert Thompson i sin email til Videnskab.dk.
Bremser lyset
Ifølge Jan Arlt tilhører de amerikanske forskere bag Bose-Einstein-kondensatet på rumstationen netop den gren af forskningen, som sigter mod at skabe ekstremt nøjagtige målinger, der kan udnyttes til ny teknologi i fremtiden.
»I Danmark er det den anden gren af forskningen, som er vigtigere. I Danmark bruger vi Bose-Einstein-kondensater til at lave kvantesimuleringer. Det vil sige, at vi bruger atomskyen til at simulere vigtige kvantefænomener, som man endnu ikke forstår,« fortæller Jan Arlt.
Et nyt grundforskningscenter, som snart åbner på Aarhus Universitet, kaldet Center for Komplekse Kvantesystemer, skal netop udnytte Bose-Einstein-kondensater til at blive klogere på kvantefysikkens mange mystiske fænomener.
Den danske fysiker Lene Hau har også vundet verdensberømmelse blandt fysikere ved som den første nogensinde at lykkes med at bremse lys.
Til det brugte hun også Bose-Einstein-kondensater - det kan du læse mere om i artiklen Dansk topforsker: Nu kan vi gemme lys i et halvt minut.
