Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Pierwsza interferometria atomowa w kosmosie. To zapowiedź superprezycyjnych pomiarów

Recommended Posts

Po raz pierwszy udało się zademonstrować działanie interferometrii atomowej w przestrzeni kosmicznej. Osiągnięcie niemieckich naukowców oznacza, że interferometry atomowe, niezwykle precyzyjne urządzenia pomiarowe, mogą zostać wykorzystane poza Ziemią, np. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Posłużyć tam mogą chociażby do pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi czy wykrywania fal grawitacyjnych.

Stworzyliśmy technologiczne podstawy do wykorzystania interferometrii atomowej na pokładzie rakiety meteorologicznej i wykazaliśmy, że prowadzenie tego typu eksperymentów jest możliwe nie tylko na Ziemi ale i w kosmosie, mówi profesor Patrick Windpassinger z Instytutu Fizyki z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji.

Prace prowadzili naukowcy z różnych uczelni i instytucji badawczych, a zespołem kierowali specjaliści z Uniwersytetu Hanowerskiego. W styczniu 2017 roku wystrzelili oni misję MAIUS-1. Jest to pierwsza w historii misja, w czasie której kondensat Bosego-Einsteina był generowany w przestrzeni kosmicznej. Ten specjalny stan materii uzyskuje się schładzając atomy – w tym przypadku atomy rubidu – do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Ta ultrazimna materia stała się dla nas obiecującym punktem wyjścia do interferometrii atomowej, mówi Windpassinger. Niskie temperatury odgrywają tutaj kluczową rolę, gdyż pozwalają na prowadzenie bardzo precyzyjnych i dłuższych pomiarów.

W czasie eksperymentów wykorzystywano laser do odseparowywania od siebie atomów rubidu i tworzenia ich superpozycji. Możliwe było w ten sposób wytworzenie różnych wzorców interferencji pomiędzy atomami, co z kolei można wykorzystać do badania sił wpływających na atomy, w tym do badania grawitacji.

Misja MAIUS-1 przyniosła więc potwierdzenie słuszności opracowanej koncepcji oraz jej technicznej wykonalności. To zaś oznacza, że możliwe będzie wykorzystanie interferometru atomowego utworzonego z kondensatu Bosego-Einsteina do prowadzenia różnych badań i pomiarów.

W najbliższym czasie niemieccy naukowcy chcą sprawdzić, czy taki interferometr zda egzamin. W roku 2022 wystartuje MAIUS-2, a w roku 2023 – MAIUS-3. Uczeni chcą użyć interferometrów stworzonych nie tylko z atomów rubidu, ale też potasu. Porównując przyspieszenie podczas spadku swobodnego pomiędzy tymi dwoma typami atomów można będzie przetestować Einsteinowską zasadę równoważności z niedostępną dotychczas precyzją.

W przyszłości tego typu eksperymenty można będzie prowadzić na satelitach lub Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, gdzie prawdopodobnie uda się do tego wykorzystać planowane właśnie BECCAL czyli Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory. W tym wypadku precyzja pomiarów nie będzie ograniczona krótkim czasem swobodnego spadku rakiety, wyjaśnia doktor Andre Wenzlawski z grupy badawczej Windpassingera.

Szczegóły badań opisano na łamach Nature Communications.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wszystkie komórki na Ziemi są zbudowane z błon fosfolipidowych. Teraz udało się zaobserwować molekuły fosfolipidów w przestrzeni kosmicznej. Odkrycie to jest kolejną wskazówką potwierdzającą hipotezę, że życie pojawiło się na Ziemi dzięki komponentom z przestrzeni kosmicznej.
      Życie na Ziemi pojawiło się ok. 4,4 miliarda lat temu, zaledwie kilkaset lat po formowaniu się Układu Słonecznego. Rodzi się więc pytanie, jak to się stało, że tak szybko pojawiło się wiele złożonych molekuł, niezbędnych do zaistnienia życia. Jedna z możliwych odpowiedzi brzmi: molekuły te już wcześniej istniały w przestrzeni kosmicznej i z niej trafiły na Ziemię.
      Dotychczas zaobserwowano w kosmosie prekursory białek – aminokwasy czy prokursury rybonukleotydów, tworzących DNA. Teraz okazało się, że w przestrzeni kosmicznej znajdują się też fosfolipidy.
      Victor Rivilla i jego koledzy z Hiszpańskiego Centrum Astrobiologii w Madrycie poinformowali o odkryciu w kosmosie etanoloaminy, ważnego składnika najprostszych fosfolipidów. Ma to olbrzymie znacznie nie tylko dla teorii dotyczących pochodzenia życia na Ziemi, ale również na innych planetach i ich satelitach we wszechświecie, stwierdzają odkrywcy.
      Wspomnianą molekułę zaobserwowano podczas analizie światła z międzygwiezdnej chmury molekularnej Sagittarius B2, która znajduje się w odległości zaledwie 390 lat świetlnych od centrum Drogi Mlecznej. Naukowcy od dawna wiedzieli, że jest ona regionem bogatym w molekuły organiczne.
      Hiszpanie najpierw przeprowadzili symulacje widma światła, jakie powinna dawać etanoloamina w niskich temperaturach, jakie istnieją w badanej chmurze. Następnie przyjrzeli się Sagittariusowi B2 i rzeczywiście znaleźli w nich odpowiednie widma.
      Wcześniej etanoloaminę znaleziono na meteorytach. Uważa się, że mogła na nich powstać w wyniku nietypowych reakcji, do których dochodziło na asteroidzie, z której meteoryt pochodził. Teraz okazuje się, że molekuła ta jest znacznie bardziej rozpowszechniona w przestrzeni kosmicznej niż sądzono.
      Rivilla i jego zespół uważają, że etanoloamina mogła znajdować się w mgławicy, z której powstał Układ Słoneczny i to z niej trafiła na Ziemię.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Katedry i Kliniki Chorób Wewnętrznych, Pneumonologii i Alergologii Centralnego Szpitala Klinicznego Uniwersyteckiego Centrum Klinicznego Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego (CSK UCK WUM) oraz Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza PAN prowadzą badania nad unikalną metodą monitorowania ciśnienia opłucnowego podczas usuwania płynu z jamy opłucnej.
      Specjaliści podkreślają, że obecność płynu w jamie opłucnej to dość częsty problem kliniczny. Przyczyną mogą być takie choroby, jak zapalenie płuc, gruźlica, choroby nowotworowe, niewydolność serca czy marskość wątroby.
      Z szacunkowych danych wynika, że wysięk w jamie opłucnej spowodowany schorzeniami nowotworowymi dotyka w Polsce ok. 20-25 tys. pacjentów/rok. Lekarze pracujący w oddziałach chorób wewnętrznych czy oddziałach chorób płuc spotykają się z takimi pacjentami na co dzień, a punkcja opłucnej (toracenteza), podczas której usuwa się płyn z jamy opłucnej, jest powszechnie stosowanym zabiegiem o charakterze diagnostycznym i terapeutycznym – wyjaśnia prof. Rafał Krenke, kierownik Katedry i Kliniki Chorób Wewnętrznych, Pneumonologii i Alergologii CSK UCK WUM.
      Cele konsorcjum naukowego
      W ramach projektu "Wykorzystanie wysokoobjętościowej toracentezy i pomiaru ciśnienia opłucnowego do badania nowo opisanych zjawisk patofizjologicznych u chorych z płynem w jamie opłucnej" konsorcjum naukowe chce zbadać 1) zależności między objętością usuwanego płynu a ciśnieniem opłucnowym oraz 2) możliwości wpływania na tempo spadku ciśnienia podczas zabiegu.
      Zespół wymienia też cele szczegółowe badania. Specjaliści chcą zweryfikować hipotezę, że kaszel lub zastosowanie ciągłego dodatniego ciśnienia w drogach oddechowych przez maskę twarzową (CPAP) poprawia upowietrznienie płuca. Zamierzają też ocenić, czy spadek utlenowania krwi podczas i po zakończeniu zabiegu ma związek ze zwiększonym przepływem krwi przez nieupowietrzniony fragment płuca. Oprócz tego zbadany ma zostać wpływ obecności płynu na funkcję mięśni oddechowych. Prof. Krenke podkreśla, że badania mają nowatorski charakter. "Wyznaczamy nowe trendy i kierunki badań nad chorobami opłucnej".
      Elektroniczny manometr - autorskie urządzenie polskich specjalistów
      W komunikacie WUM podkreślono, że w czasie rutynowo wykonywanej punkcji nie stosuje się pomiaru ciśnienia opłucnowego. Może więc dochodzić do jego gwałtownego obniżenia i rozwoju groźnego stanu zwanego porozprężeniowym obrzękiem płuca. Chcąc temu zapobiec, specjaliści z WUM badają od jakiegoś czasu unikatową metodę monitorowania ciśnienia opłucnowego z wykorzystaniem elektronicznego manometru. Jest to autorskie urządzenie, skonstruowane we współpracy z inżynierami z Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN.
      Już na etapie wstępnych badań stwierdzono, że dzięki pomiarowi ciśnienia opłucnowego w czasie toracentezy można bezpiecznie usunąć większą objętość płynu niż standardowa zalecana (1-1,5 l) i zakończyć zabieg, gdy dojdzie do nagłego spadku tego ciśnienia. Optymistyczne wyniki wstępnych badań oraz zaobserwowanie wielu ciekawych i nieznanych zjawisk zachęciły nas do kontynuowania prac nad opracowaniem bezpiecznej i skutecznej procedury ewakuacji płynu z jamy opłucnej – zaznacza prof. Krenke.
      Wpływ kaszlu i dodatniego ciśnienia w drogach oddechowych
      Na co badacze zwrócili uwagę? Zauważyli, że kaszel pojawiający się podczas toracentezy prowadzi do podwyższenia ciśnienia w jamie opłucnej, co z kolei skutkuje zmniejszeniem tempa spadku ciśnienia w trakcie usuwania płynu. Podczas toracentezy dochodzi do spadku ciśnienia w jamie opłucnej. Okazało się, że kaszel może przeciwdziałać zbyt gwałtownemu obniżeniu tego ciśnienia. W konsekwencji kaszel może być postrzegany jako korzystne zjawisko, pozwalające lekarzowi skuteczniej usunąć płyn - wyjaśnia Krenke.
      Bazując na tych spostrzeżeniach, zespół zamierza również zbadać wpływ dodatniego ciśnienia w drogach oddechowych na tempo spadku ciśnienia opłucnowego. Dostępne dane wskazują, że jeśli u pacjenta poddanemu toracentezie stosuje się dodatnie ciśnienie w drogach oddechowych, to tempo spadku ciśnienia opłucnowego się zmniejsza, a tym samym zwiększa się bezpieczeństwo zabiegu oraz objętość płynu, którą można usunąć. W naszych badaniach chcemy do tego celu wykorzystać prosty aparat generujący dodatnie ciśnienie i maskę mocowaną do twarzy pacjenta. Sprawdzimy, jak ta procedura wpłynie na skuteczność zabiegu i proces rozprężania się płuca w trakcie usuwania płynu - tłumaczy profesor. Dotąd podobne badania prowadzono na świecie raz, ale były to badania wstępne, sprawdzające wpływ dodatniego ciśnienia. Brakuje zatem większych badań, które pokażą, czy metoda naprawdę jest skuteczna.
      Zjawisko, którego nikt wcześniej nie opisał
      Naukowcom zależy także na lepszym poznaniu zależności między wahaniami ciśnienia w jamie opłucnej podczas oddychania i zmianą objętości serca. Prawidłowym warunkiem wentylacji płuca są stałe zmiany ciśnienia w jamie opłucnej, które obniża się w czasie wdechu, a podwyższa się podczas wydechu. W naszych wcześniejszych badaniach, prowadzonych wspólnie z kolegami kardiologami, zauważyliśmy dodatkowe mikrowahania ciśnienia w jamie opłucnej, które prawdopodobnie odpowiadają zmianom objętości serca. W trakcie rozpoczętego właśnie projektu chcemy ustalić znaczenie tych oscylacji oraz sprawdzić, czy wiedza ta może zostać wykorzystana w medycynie klinicznej - objaśnia prof. Krenke.
      Rola rehabilitacji
      Istotną częścią badań ma być ocena skuteczności rehabilitacji pacjentów przechodzących toracentezę. Płuco, które było uciśnięte przez płyn, stosunkowo powoli powraca do swoich normalnych objętości. Dlatego realizując obecny projekt, chcemy zbadać, czy intensywna rehabilitacja w okresie okołozabiegowym pozwoli zwiększyć sprawność rozprężania się płuca po usunięciu płynu z jamy opłucnej.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Najbardziej precyzyjny z dotychczasowych pomiarów wartości stałej struktury subtelnej zarysowuje nowe granice dla teorii mówiących o istnieniu ciemnej materii czy ciemnej energii. Nowa wartość to nie tylko dodatkowy test Modelu Standardowego, ale i wskazówka, gdzie należy poszukiwać ciemnej materii, która wraz z ciemną energią stanowi ponad 90% masy wszechświata.
      Stała struktury subtelnej to kombinacja trzech stałych fundamentalnych, stałej Plancka, ładunku elektronu oraz prędkości światła. Łącznie określają one siłę oddziaływań elektromagnetycznych, przez co stała struktury subtelnej powszechnie występuje we wszechświecie. Jako, że jest to wielkość bezwymiarowa, niezależna od systemu jednostek, jest w pewnym sensie bardziej podstawowa niż inne stałe fizyczne, których wartość zmienia się w zależności od systemu.
      Niewielka wartość stałej struktury subtelnej, wynosząca około 1/137 wskazuje, że oddziaływania elektromagnetyczne są słabe. To zaś oznacza, że elektrony znajdujące się na orbitach w pewnej odległości od jądra atomu mogą tworzyć wiązania i budować molekuły. To właśnie ta ich właściwość umożliwiła powstanie gwiazd czy planet. Wielu fizyków twierdzi, że takiej a nie innej wartości stałej struktury subtelnej zawdzięczamy własne istnienie. Gdyby bowiem była ona nieco większa lub nieco mniejsza, gwiazdy nie mogłyby syntetyzować cięższych pierwiastków, takich jak np. węgiel. Życie w znanej nam postaci by więc nie istniało.
      Dotychczasowe pomiary stałej struktury subtelnej umożliwiły prowadzenie precyzyjnych testów zależności pomiędzy cząstkami elementarnymi. Zależności te są opisane równaniami, tworzącymi Model Standardowy. Każda niezgodność pomiędzy przewidywaniami Modelu a obserwacjami może wskazywać na istnienie nieznanych zjawisk fizycznych.
      Zwykle stałą struktury subtelnej mierzy się określając siłę odrzutu atomów absorbujących fotony. Energia kinetyczna tego odrzutu pozwala określić masę atomu. Następnie, na podstawie precyzyjnej znajomości stosunku masy atomu do elektronu, obliczamy masę elektronu. W końcu możemy określić stałą struktury subtelnej z masy elektronu oraz siły wiązań atomowych w wodorze.
      Naukowcy pracujący pod kierunkiem profesor Saidy Guellati-Khelifa z Laboratoire Kastler-Brossel schłodzili atomy rubidu do temperatury kilku stopni powyżej zera absolutnego. Następnie za pomocą lasera stworzyli superpozycję dwóch stanów atomowych. Pierwszy ze stanów odpowiadał atomom odrzucanym w wyniku zaabsorbowania fotonów, drugi zaś, atomom, które nie doświadczają odrzutu. Atomy w różnych stanach różnie propagowały się wewnątrz komory próżniowej. Naukowcy dodali wówczas drugi zestaw impulsów laserowych, który doprowadził do „ponownego połączenia” obu części superpozycji.
      Im większy był odrzut atomu absorbującego fotony, tym większe przesunięcie fazy względem jego własnej wersji, która nie doświadczała odrzutu. Uczeni wykorzystali tę różnicę do określenia masy atomu, z której następnie wyliczyli stałą struktury subtelnej. W ten sposób określili jej wartość na 1/137,035999206(11). Precyzja pomiaru wynosi 81 części na bilion, jest więc 2,5-krotnie większa niż poprzedni najbardziej precyzyjny pomiar wykonany w 2018 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
      Różnica pomiędzy pomiarem obecnym, a tym z Berkeley rozpoczyna się na 7. cyfrze po przecinku. To zaskoczyło francuskich naukowców, gdyż wskazuje, że albo jedne z pomiarów, albo oba, zawierają nieznany błąd. Autor pomiaru z Berkeley, Holger Müller, komentuje, że wynik uzyskany przez Francuzów potwierdza, iż elektron nie posiada mniejszych struktur i rzeczywiście jest cząstką elementarną.
      Francuzi planują teraz potwierdzić wyniki swoich pomiarów korzystając z innego izotopu rubidu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dzisiaj, 2 listopada, przypada 20. rocznica stałej obecności człowieka w przestrzeni kosmicznej. Od takiego bowiem czasu Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) jest nieprzerwanie zamieszkana.
      Pierwszą załogę ISS stanowili Bill Shepherd, Siergiej Krikalow i Jurij Gidzenko. Wystartowali oni 31 października 2000 roku z Kazachstanu i dwa dni później weszli na Międzynarodową Stację Kosmiczną. Od tej pory na stacji zawsze przebywali ludzie.
      Dotychczas ISS odwiedzili obywatele 19 krajów, w tym osoby, które dokonywały tam krótkoterminowych prac budowlanych oraz turyści.
      Bill Shepherd, były żołnierz Navy Seals, który był dowódcą pierwszej obsady ISS wspomina, że w porównaniu z dniem dzisiejszym warunki na Stacji były prymitywne. Stacja składała się z trzech pomieszczeń, była ciasna, zagracona i wilgotna. Obecnie ma 3 toalety, 6 sypialni, 12 pokoi oraz wieżę widokową. W jej skład wchodzą trzy nowoczesne laboratoria naukowe.
      Obecnie 71-letni Shepherd jest na emeryturze, a 62-letni Krikalow i 58-letni Gidzenko nadal pracują przy rosyjskim programie kosmicznym. Niedawno panowie odbyli online'owe spotkanie, podczas którego wspominali swój pobyt na stacji. Pierwszą rzeczą, którą zrobili po wejściu na jej pokład, było zapalenie światłe. Następnie zagotowali wodę, by zrobić sobie coś ciepłego do picia i aktywowali jedyną wówczas toaletę.
      Cała trójka spędziła na ISS niemal pięć miesięcy. Łączność z Ziemią mieli sporadycznie. Całymi godzinami byli jej pozbawieni. Obecnie głównym zadaniem załóg ISS jest prowadzenie eksperymentów naukowych. Jednak Shepherd, Krikalow i Gidzenko nie mieli na nie czasu. Zajmowali się uruchamianiem podsystemów stacji przygotowywaniem jej na kolejne wizyty, rozładowywaniem misji zaopatrzeniowych. Byli przez cały czas zajęci i nie wszystko szło zgodnie z przewidywaniami. Na przykład uruchomienie urządzenia do podgrzewania jedzenia zajęło im nie przewidywane 30 minut, a 1,5 doby. Takich problemów było znacznie więcej.
      Ich głównym zadaniem było rozbudowywanie ISS. Sprawy nie ułatwiały kłopoty komunikacyjne. Shepherd wspomina, że często był sfrustrowany faktem, że z dwóch centrów kontroli – w Houston i pod Moskwą – napływały sprzeczne polecenia. Napominał kontrolerów z obu krajów, by uzgodnili jeden plan działania. Mimo to, jak twierdził to były jego najszczęśliwsze dni w kosmosie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Peter Andrekson i jego koledzy z Uniwersytetu Technologicznego Chalmersa w Göteborgu poinformowali o skonstruowaniu najbardziej czułego odbiornika sygnałów optycznych przesyłanych bezprzewodowo. Szwedzi osiągnęli bezprecedensową czułość niemal 1 fotonu na 1 bit danych. Udało się to dzięki nowatorskiemu podejściu do przygotowania sygnału oraz likwidacji zakłóceń w samym odbiorniku.
      Agencje kosmiczne, w miarę realizacji coraz bardziej ambitnych planów badania przestrzeni pozaziemskiej, próbują zwiększać możliwości komunikacyjne swoich satelitów. Jednak obecne radiowe systemy transmisji z trudem nadążają za rosnącymi potrzebami. Dlatego też coraz częściej mówi się o wykorzystaniu sygnałów optycznych do szybkiej transmisji danych na duże odległości. Mają bowiem tę olbrzymią zaletę, że w miarę rozchodzenia się w przestrzeni tracą znacznie mniej mocy niż sygnały radiowe. A pamiętać trzeba, że mówimy tutaj o transmisjach na olbrzymich dystansach. Żeby jednak przyspieszyć transmisję danych optycznych potrzebne są jak najbardziej czułe odbiorniki, które wymagają użycia jak najmniejszej liczby fotonów do przekazania bitu informacji.
      Zespół Andreksona stworzył nową architekturę, w ramach której dane są najpierw kodowane w sygnałową falę światła, następnie jest ona łączona z falą ciągłą o różnych częstotliwościach. Gdy takie fale przechodzą przez nieliniowy światłowód generują trzecią falę. W końcu wszystkie te fale zostają wzmocnione i wysłane w kierunku odbiornika. Sygnał przechwytywany jest przez światłowód i trafia do wzmacniacza fazoczułego. Ostatecznie sygnał trafia do standardowego odbiornika, gdzie oryginalna informacja zostaje odzyskana.
      Obecnie najbardziej zaawansowane bezprzewodowe systemy komunikacji optycznej pozwalają na przekazywanie danych z prędkością poniżej 1 Gb/s i wymagają do pracy niezwykle niskich temperatur. Urządzenie Andreksona osiąga czułość niemal 1 fotonu na 1 bit w temperaturze pokojowej, pozwalając na transmisję danych z prędkością dochodzącą do 10,5 Gb/s. Ponadto, jako że system wykorzystuje proste techniki modulacji sygnału, jego przetwarzania i korekcji błędów, może z łatwością być skalowany do większych prędkości.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...