การศึกษาสถานะทาง “ควอนตัม” ของอะตอมบนโลกเป็นเรื่องที่ยาก เนื่องจากบนพื้นโลกมีแรงโน้มถ่วงที่จะคอยดึงดูดอะตอมเหล่านี้ให้ตกถึงพื้น เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้จึงมีแนวคิดในการศึกษาทางควอนตัมนอกโลกเพื่อยืดระยะเวลาในการศึกษาให้เพิ่มมากยิ่งขึ้น เปิดมิติใหม่ในการศึกษาควอนตัมที่ยาวนานมากขึ้น

เมื่อเรามองลงไปในอะตอม พฤติกรรมของมันนั้นแตกต่างจากวัตถุที่มันสร้างขึ้นมามาก มันทั้งไม่แน่นอน เต็มไปด้วยความแปลกประหลาด บางครั้งก็มีสมบัติเป็นอนุภาค บ้างก็กลายเป็นคลื่น ซึ่งสิ่งนี้คือสมบัติที่เราเรียกกันว่าสมบัติทางควอนตัม

ภาพวาดจิตรกรรมของภายในห้องปฏิบัติการควอนตัม Cold Atom Lab ที่สร้างฟองก๊าซที่เย็นจัดจนกลายสภาพเป็นสถานะทางควอนตัมได้ในอวกาศ

เพื่อให้การศึกษาง่ายขึ้นเราจะลดอุณหภูมิของอะตอมให้ลดลงจนใกล้อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (ใกล้เคียง -273.15 องศาเซลเซียส) จนอะตอมกลายสถานะเป็น สถานะโบส-ไอน์สไตน์ (Bose–Einstein condensate) ที่อะตอมทั้งหมดจะใกล้ชิดกันจนประพฤติตัวคล้ายกับอะตอมเพียงอะตอมเดียว ซึ่งเป็นสถานะของสสารสถานะที่ 5 เหมือนกับสถานะของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และพลาสมา ที่เรารู้จักกัน เมื่อสสารอยู่ในสถานะนี้จะทำให้การศึกษาสมบัติทางควอนตัมเป็นไปได้ง่ายมากยิ่งขึ้น

แต่ต่อให้เราทำให้สสารของเราใหญ่ขึ้นและสังเกตได้ง่ายขึ้นแล้ว สสารเหล่านี้ก็ยังคงถูกดึงดูดโดยแรงโน้มถ่วงของโลกอยู่ สสารที่เราสนใจย่อมตกถึงพื้นและแตะกับพื้นผิวอยู่ดีทำให้การศึกษามีขีดจำกัดด้านเวลา ดังนั้นเพื่อให้การศึกษาสามารถทำได้นานขึ้น นักฟิสิกส์จึงมีความคิดที่จะส่งการทดลองเหล่านี้ออกไปนอกอวกาศเพื่อที่จะทำให้สสารเหล่านี้ลอยอยู่กลางอวกาศได้นานมากขึ้น

ภาพถ่ายห้องปฏิบัติการควอนตัม Cold Atom Lab ภายในสถานีอวกาศนานาชาติ

Cold Atom Lab คือห้องปฏิบัติการด้านควอนตัมฟิสิกส์ที่ติดตั้งบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) มันถูกส่งขึ้นไปติดตั้งบนสถานีอวกาศตั้งแต่เดือนพฤษภาคม 2018 ซึ่งตลอดระยะเวลา 6 ปีในวงโคจรรอบโลก มันได้เปิดประตูบานใหม่สู่การทำการทดลองด้านควอนตัมฟิสิกส์ ที่สามารถดำเนินทดลองได้ยาวนานกว่าการทดลองบนพื้นโลก ภายในเครื่อง Cold Atom Lab มีเครื่องมืออะตอมอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ (Atom Interferometer) ที่สามารถตรวจวัดแรงโน้มถ่วง สนามแม่เหล็ก และแรงอื่น ๆ ได้อย่างแม่นยำ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรบนโลกใช้เครื่องมือนี้เพื่อศึกษาลักษณะพื้นฐานของแรงโน้มถ่วงและพัฒนาเทคโนโลยีที่ช่วยในการนำทางของเครื่องบินและเรือเดินสมุทร

ภาพเคลื่อนไหวหลักการลดอุณหภูมิของอะตอมด้วยแสงเลเซอร์ภายใน Cold Atom Lab

ด้วยสมบัติของสสารที่อยู่ในสถานะโบส-ไอน์สไตน์มีลักษณะจำเพาะที่คล้ายกับอะตอมเพียงหนึ่งตัว มันจึงยังคงสภาพสมบัติทางควอนตัมอยู่ที่บางครั้งก็ประพฤติตนเป็นคลื่น ไม่ก็อนุภาค ซึ่งหากศึกษาอย่างต่อเนื่องต่อไปอาจจะสามารถนำไปพัฒนาต่อเป็นควอนตัมเซนเซอร์สำหรับการตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วง ความเร่งจากความโน้มถ่วงที่ละเอียดอ่อนที่อาจจะไขความลับและปริศนาของใจกลางดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ไปจนถึงความลับของสสารมืดและพลังงานมืดได้ ซึ่งนำไปสู่องค์ความรู้ใหม่ ๆ และเทคโนโลยีล้ำหน้าในอนาคต

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : space, NASA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

“ควอนตัมเซนเซอร์” บน ISS จะเปลี่ยนมุมมองการศึกษาอวกาศอย่างไร