NASA gaat in extreem koude doos in ISS kwantumeigenschappen deeltjes onderzoeken

Orbital ATK heeft maandag een raket gelanceerd die onder meer het Cold Atom Lab van de NASA aan boord heeft. Dit is een doos waarin de kwantumeigenschappen van atomen worden bestudeerd in temperaturen van slechts een fractie boven het absolute nulpunt.

Volgens de NASA creëert de doos een temperatuur die nog lager is dan de temperatuur van het vacuüm in de ruimte. In deze temperatuur en geholpen door de toepassing van lasers en magnetische velden worden de atomen enorm vertraagd, totdat ze bijna bewegingsloos zijn. In de gewichtloosheid in het ISS kunnen de atomen in die omstandigheden veel langer worden onderzocht dan op aarde.

Volgens NASA's Jet Propulsion Laboratory stelt het Cold Atom Lab onderzoekers in staat om dagelijks 6,5 uur te experimenten met de deeltjes zonder de hulp van astronauten. Het gaat om gaswolken waarbij de deeltjes zich door de extreem lage temperatuur in een laag-energetische aggregatietoestand bevinden en waarin ze zonder frictie bewegen, ook wel een Bose-Einstein-condensaat genoemd.

Het idee is dat het bestuderen van de atomen in deze staat meer informatie en kennis oplevert over onder meer de zwaartekracht, donkere energie en het kwantumgedrag van atomen in deze extreme omstandigheden. Volgens een wetenschapper van het project kunnen de Bose-Einstein-condensaten gedurende tien seconden worden geobserveerd. Dat is beduidend langer dan op aarde, waar de zwaartekracht de deeltjes naar de grond trekt, waardoor Bose-Einstein-condensaten slechts een fractie van een seconde zichtbaar zijn.

Het Cygnus-ruimtevaartuig van Orbital ATK komt donderdag aan bij het ISS, waar astronauten het vaartuig met de robotarm van het ISS zullen binnenhalen.

Reacties (57)

[O085105116N]

Een Magic box die een temp van 10 miljard keer zo laag als het vacuum in de ruimte kan creëren. Wat is dan de temp in het vacuum van de ruimte? Is dat dan een gemiddelde temp? En hoe bereiken ze de temp in de CAL?

[Tourmaline]

De laagste temperatuur die mogelijk is in het heelal is -273,15 graden Celcius onder nul, of te wel 0 Kelvin. Dit is het absolute nulpunt. Bij die temperatuur komen alle moleculen tot rust. Maar in de lege ruimte wordt die temperatuur niet bereikt. Er is nl. een stralingsveld overgebleven van de oerknal waaruit het heelal is ontstaan (de zgn. achtergrondstraling), en die komt overeen met een temperatuur van 3 Kelvin, of te wel 3 graden boven het absolute nulpunt. Dat zouden we dus de temperatuur van de ruimte kunnen noemen. Als we een voorwerp in de schaduw in de lege ruimte laten afkoelen, is dat de laagste temperatuur die het kan bereiken.""

Net boven het absolute nulpunt dus.

[Blokmeister]

Je hebt helemaal gelijk, ik wil graag toevoegen dat de temperatuur van de CMB, de kosmische achtergrondstraling 2.725K is, om exact te zijn. De temperatuur is op drie decimalen nauwkeurig overal hetzelfde, enorm egaal dus. In het vierde decimaal zit echter de belangrijke informatie. De kleine variaties in temperatuur kunnen ons veel vertellen over het ontstaan van het heelal.

[Cerberus_tm]

Je bedoelt denk ik 2,725 K? Anders lijken het net duizenden.

[Reactie gewijzigd door Cerberus_tm op 24 juli 2024 16:00]

[Blokmeister]

Oh ja, natuurlijk!

Het is ook wat met het verschil tussen punten en komma's in het Nederlands en Engels...

[Cerberus_tm]

Zie ook dit kaartje:
https://brilliantmaps.com...oads/DecimalSeparator.png

[jaspervv99]

Als we heel mierenneukerig gaan doen, deeltjes komen nooit tot rust. Ze gaan enkel op 0 Kelvin naar hun minimale hoeveelheid van beweging. Deeltjes kunnen volgens de Heisenbergrelatie niet stilstaan, want dan zou zowel hun impuls als locatie bekend zijn en dat kan niet.

Edit: zie dat @jurjen120 mij voor is.

[Reactie gewijzigd door jaspervv99 op 24 juli 2024 16:00]

[CivLord]

Betekent het Heisenbergprincipe dat positie en snelheid van een deeltje nooit tegelijk bekend kunnen zijn, of slechts dat ze nooit tegelijk gemeten kunnen worden?
Volgens mij was het hele punt juist dat je door de ene eigenschap te meten de andere eigenschap beïnvloedt. Het maakt het niet onmogelijk dat een deeltje compleet tot rust komt, je kunt het alleen nooit verifiëren.

Ik weet dat bepaalde quantumeigenschappen, zoals tunneling, verklaard worden door het Heisenberg onzekerheidsprincipe, maar die hele onzekerheid komt op mij toch vooral over op iemand die noten zoekt met een voorhamer en concludeert dat noted van nature in gekraakte toestand voorkomen. Ik vermoed dat de waargenomen onzekerheid vooral veroorzaakt wordt door de manier van waarnemen en niet perse een fundamentele eigenschap van het waarnemen op zich. (Al begrijp ik dat een groot deel van de kwantummechanica dat juist als dogmatisch uitgangspunt heeft.)

[Superstoned]

Ik ken "voor iemand met een hamer lijkt alles op een spijker", maar "iemand die noten zoekt met een voorhamer en concludeert dat noted van nature in gekraakte toestand voorkomen" is nieuw. Erg mooi, dank

Inhoudelijk heb ik ook het idee dat je gelijk hebt maar ik begrijp van mensen die het beter weten dat het toch, volgens de huidige kennis, echt een fundamentele eigenschap is, niet een 'emergent property' zoals het zou zijn in mijn naïeve idee.

[qbig1970]

Die absolute nulpunt is dan bij benadering, omdat bij stringtheorie het niet mogelijk is om de strings in de moleculen echt stil te laten zijn en dus nul beweging is. Deze beweging die strings in moleculen nog heeft zorgt er dan ook voor dat het échte nulpunt nooit bereikt kan worden.

Citaat uit Wikipedia: Vanuit het oogpunt van de klassieke mechanica is dat juist, maar vanuit het oogpunt van de kwantummechanica is dat niet juist: er blijft altijd nog een nulpuntsbeweging over. Deze nulpuntsbeweging wordt verklaard door de onzekerheidsrelatie van Heisenberg, een elementair principe van de kwantummechanica.

Bron: https://nl.wikipedia.org/wiki/Absoluut_nulpunt

[g4wx3]

Het absolute nulpunt, waarbij atomen niet meer bewegen, bestaat enkel theoretisch. Het Heisenberg onzekerheidsprincipe bewijst dat je van een deeltje niet gelijktijdig positie en momentum kan bepalen, Dit impliceert dat je atomen niet kan laten stilstaan want momentum:0 positie exact bekend.
Hoewel Einstein wel beaamde dat Heisenberg formulering klopte, moest hij er niets hebben van die onzekerheid die van nergens komt.

[Reactie gewijzigd door g4wx3 op 24 juli 2024 16:00]

[Cheetah_777]

Absolute zero is often thought to be the coldest temperature possible. But now researchers show they can achieve even lower temperatures for a strange realm of "negative temperatures."

More information: Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom, Science, 4 January 2013: Vol. 339 no. 6115 pp. 52-55 DOI: 10.1126/science.1227831

[JSDJ]

Dit is een beetje sentationele verslaggeving van iets wat al heel lang bekend is en nogal losstaat van ons alledaagse begrip van het fenomeen temperatuur:

[technisch pietpraatje]
Temperatuur kan in de thermodynamische theorie gedefineerd worden als de afgeleide van de interne energie naar de entropie: T = dU/dS. Normaal als je een beetje entropie toevoegt aan een systeem neemt de interne energie ook toe en is de afgeleide (en dus de temperatuur) ook positief. Er zijn echter systemen te verzinnen waar de interne energie afneemt bij het toevoegen van entropie. Dus, de afgeleide is negatief, en je hebt dus een negatieve temperatuur te pakken.

Ietwat gekker is het feit dat vaker de entropie als functie van de interne energie wordt beschouwd. Dus: 1/T = dS/dU. Om vanaf een positieve bij een negatieve afgeleide (=negatieve temperatuur) te komen, moet je dus eerst door 0 heen. Dat betekent: 1/T = 0 -> T = 1/0='oneindig'. Oftewel: om bij een negatieve temperatuur te komen moet je voorbij het allerheetste; negatieve temperaturen worden dan juist ook gezien als heter dan positieve temperaturen.

De temperatuurschaal werkt dan ook zo:
absoluut nul (benadering van boven)-> positieve temperaturen -> 'oneindig' ->negatieve temperaturen -> absoluut nul (benadering van onder)
[/technische pietpraatje]

Deze onderzoekers zijn er dus in geslaagd om een systeem te ontwikkelen dat die 'negatieve dS/dU' eigenschappen heeft. Zeker een mooi onderzoek, maar een klein beetje uit context getrokken.

[SSDtje]

Ik kon dit er zonet nog over vinden, en is een zeer interessante eigenschap, mocht het blijken te kloppen, dus dacht da's het melden waard.

With negative temperatures an engine's efficiency can be higher:

Matter at negative absolute temperature leads to a whole bunch of astounding consequences: With its help, one could create heat engines with an efficiency above 100%. This does not mean that the law of energy conservation is violated. Instead, the machine could not only absorb energy from the hotter substance, but, in contrast to the usual case, also from the colder one. The work performed by the engine could therefore be larger than the energy taken from the hotter substance alone. The achievement of the Munich physicists could additionally be interesting for cosmology. Concerning its thermodynamic behavior, negative temperature states exhibit parallels to the so-called dark energy. Cosmologists postulate dark energy as the elusive force that accelerates the expansion of the universe, although the cosmos should in fact contract because of the gravitational attraction between all masses.

Gehele stuk is hier te lezen/vinden

[Reactie gewijzigd door SSDtje op 24 juli 2024 16:00]

[Blokmeister]

Negatieve temperaturen zijn wel bijzonder hoor. Het is een speciale definitie van het begrip temperatuur, namelijk de Boltzmanntemperatuur. Bij negatieve temperaturen betekent dat dat hoog-energetische staten meer bezet zijn dan laag-energetische staten, iets wat normaal gesproken niet voorkomt. Bij een oneindige temperatuur zijn alle staten evenveel bezet.

Als je echter kijkt naar de gemiddelde energie per deeltje en dat deelt door de Boltzmannconstante, krijg je er gewoon een eindige temperatuur uit, en het lijkt mij dat dat de temperatuur is die je zal 'voelen' als je je hand ertegenaan houdt.

[walkstyle]

Je zou dus bevriezen in de ruimte ?

[Durandal]

Alleen als je je warmte kwijt kan. Maar dat kan alleen door het uitzenden van je warmtestraling want je hebt geen contact met andere stoffen om je warmte aan af te geven.

Uiteindelijk zal je wel bevriezen, mits je niet te veel zonlicht vangt, als je al een tijdje dood bent door onderdruk, gebrek aan zuurstof, kosmische straling en niet te vergeten oververhitting door je eigen lichaam.

[jurjen120]

https://en.wikipedia.org/wiki/Zero-point_energy

Atomen zullen altijd blijven bewegen.

[eyhey]

Meestal wordt met de temperatuur in de ruimte de Cosmic background radiation bedoelt. Deze is volgens wikipedia 3K, wat zou betekenen dat deze atomen gekoeld worden tot zo'n 0,3 * 10^-10 K.
deeltjes koelen tot lage temeraturen wordt ander ander gedaan met het koelen van gas onder hoge druk en deze dan te laten uitzetten waardoor de temperatuur daalt. Een alledaags voorbeeld hiervan is een deoderant fles. Daar zit gas onder hoge druk in die de temperatuur van de omgeving heeft. Zodra je de deo spuit zet deze uit en koelt snel af.

[Reactie gewijzigd door eyhey op 24 juli 2024 16:00]

[mark-k]

Blijkbaar kan deze cryostat koelen tot onder 100pK, dus dat is inderdaad die 10^10 kleiner dan outer space, waar de temperatuur zo rond de enkele Kelvins zit ( https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/mission/ ).

[tweaker2010]

Hmm, grappig want in een vacuum is toch geen materie? De temperatuur in de ruimte is zo'n 3 Kelvin, dus als je dit een factor 10 miljard verlaagd, dan krijg je een enorm lage temperatuur. Is praktisch niet te realiseren.

[mark-k]

Je hebt nooit een perfect vacuum, zelfs de ruimte bevat nog enkele deeltjes per kubieke meter. als je 3K deelt door 10^10 krijg je 300pK, dat is inderdaad vrij koud, maar niet onmogelijk. Een simpele cryostaat heb je in niet al te veel tijd tot 10mK afgekoeld, ik ga ervan uit dat de NASA wel iets meer kan dan gewoon een 'huis-tuin-en-keuken' cryostaat inkopen.

[Arie de Knak]

Was het een poos geleden niet gelukt om voor een paar seconde een negatieve Kelvin te krijgen? Als ik het mij goed herinner gingen de atoomen toen op een hele vreemde manier trillen.

[Bensimpel]

Ja, nogal bizar en ik snap er vrij weinig van, maar ze hadden een speciaal soort gas ontwikkeld.

https://www.mpg.de/research/negative-absolute-temperature

[ArnoutV]

Het is een asymptoot/limiet die naar 0 gaat.
10 miljard keer lager dan 3K zegt zelf niks, ze proberen te koelen tot een fractie boven 0K

[g0tanks]

Hoezo niet?

Temperatuur in de ruimte is 2.7 kelvin. Dat gedeeld door 10 miljard staat gelijk aan 270 picokelvin. Dat is een ordegrootte die al op de aarde in 2003 is bereikt. Zie de paper Cooling Bose-Einstien Condensates Below 500 Picokelvin.

[tweaker2010]

Waarom reppen ze dan over "CAL creates a temperature 10 billion times colder than the vacuum of space"
Is helemaal niet 10 miljard lager, het klinkt in mijn oren als marketing praat, de NASA heeft geld nodig.

[JanusJaap]

Je laat voor het gemaak het woord 'times' uit je uitleg. 10miljard keer kleiner dan. Jouw uitleg zou beteken dat ze zeggen dat het '10 billion kelvin' kouder zou zijn.

[CheetahNL]

Overigens heb ik ook eens een astronaut gehoord die ijskoud beweerde dat je bloed direct gaat koken als je in een vacuüm terecht komt, terwijl per ongeluk is aangetoond dat dit niet zo is. Sterker nog, het slachtoffer is er zonder schade vanaf gekomen. Ook dit soort slimme lui slaan soms de plank mis. Of ze proberen iets te verkopen aan de onwetende massa.

[Goldwing1973]

Op het moment dat jij in een vacuüm komt zullen de luchtbelletjes in je bloed gelijk gaan uitzetten.
Je bloed zal niet gaan koken omdat je bloed dan direct naar 100c zou moeten gaan, maar het uitzetten van de luchtbelletjes in je bloed laat het wel lijken of het kookt.
Vergelijk het met een soort decompressieziekte.

[cocacoma]

Dit klopt niet, de temperatuur waarop water gaat 'koken' hangt af van de omgevingsdruk, hoe lager die druk, hoe later het kookpunt wordt. In de bergen kookt water dus bij een lagere temperatuur. Als een persoon in het luchtledige wordt gebracht zal het zeer wel kunnen dat ie feitelijk ontploft.

[Verwijderd]

^{We zijn inderdaad deels off-topic bezig, maar goed, we hebben het toch over 'the vacuum of space'; dus ik vind toch dat ik mag aanvullen:}
'Al' bij 0,1 Bar ligt het kookpunt van water ongeveer op lichaamstemperatuur. Nog lagere drukken (en dus 'in de ruimte') zorgen er dus voor dat blootgesteld water inderdaad gaat koken.
De reden dat je niet direct helemaal op gaat in damp is simpelweg dat jouw hele lichaam zorgt voor een tegendruk; zelfs je bloedvaten zelf zorgen voor voldoende druk om het koken voorlopig even tegen te gaan.
Ik zou ook mijn ogen maar dichthouden, mocht het je ooit overkomen.

In je mond zal je echter een tintelende sensatie ervaren: al het water op je tong zal inderdaad gaan koken en vervolgens verdampen. Van brandwonden van de hitte heb je geen last; het water wordt niet heter. Andersom kan wel het geval zijn; de aan je tong onttrokken energie kan wel zorgen voor bevriezingsverschijnselen.

[CheetahNL]

Nou ja, dit is dus een keer per ongeluk gebeurd. De persoon in kwestie was na een paar seconden out, maar kon na een halve minuut weer in normale luchtdruk gebracht worden. Hij heeft het gewoon overleefd en is dus niet ontploft. Er zijn zowaar beelden van: https://www.spaceanswers....d-to-a-space-like-vacuum/

[Reactie gewijzigd door CheetahNL op 24 juli 2024 16:00]

[rberkenpas]

Ho wacht even, en hoe zit het dan met General Leia Organa

[SiGNe]

Jedi force field

[SaiKoTiK]

"Je bloed zal niet gaan koken omdat je bloed dan direct naar 100c zou moeten gaan"

water kookt aan 100c onder normale atmosferische druk, water gaat onder hoge druk pas koken bij een hogere temperatuur, onder een lagere druk bij lagere temperatuur.

bv, op mount everest zou water al bij 70c gaan koken.
in de ruimte is er geen luchtdruk dus gaat een vloeistof op lichaamstemperatuur direct gaan koken, als het zich aan de 'oppervlakte' bevindt. (je bloed bevindt zich meestal in je lichaam waar het zich nog onder een hoeveelheid druk bevind, vandaar dat het daar niet per direct gaat koken mocht je even blootgesteld worden aan het luchtledige)

[SuperDre]

LOL, denk dan meteen weer aan die crap film Star Wars The Last Jedi de scene met Leia die lang in de ruimte hangt (komende van een grote SW fan), en dat dan vergelijk met een film met sean connery Outland (wat overigens WEL een geweldige film is).

[Verwijderd]

Ook als er geen materiedeeltjes in een ruimte zitten kun je van temperatuur spreken. Er zijn ook elektromagnetische velden, o.a. de achtergrondstraling van 2,7K.

Als er sprake is van hele lage drukken (vrije weglengte van een deeltje groter dan de afmetingen van de ruimte waar het in zit) gaan de "normale" gaswetten ook niet eens meer op (zoek op Knudsen gas voor meer informatie).

[CheetahNL]

Temperatuur gaat altijd over materie, well done. Als je iets in outer space laat zweven dan zal de temperatuur blijkbaar dalen tot 3 K. Prima. Maar "kou" bestaat feitelijk niet. Het is "weinig warmte" dan. 10 miljard keer kouder dan... slaat dus ergens op. En dat komt van de Nasa af. Misschien bedoelen ze 3/10miljard K? Vaag.

[BadRespawn]

Temperatuur gaat altijd over materie

E/M straling (licht, infra-rood e.d.) heeft ook een temperatuur.

[TommyboyNL]

Nope, fout. Aan de hand van de golflengte van het licht kan je echter wel bepalen welke temperatuur de bron had.

[StelioKontos]

10 miljard keer kouder dan is hetzelfde als 10 miljard keer minder warm. Ik zie geen reden waarom dat niet kan. Er zit 10 miljard keer minder bewegings energie in de deeltjes, ze bewegen 10 miljard keer minder snel. Het is dus ongeveer 3 * 10^-10 K.

[Verwijderd]

een temperatuur die nog lager is dan de temperatuur van het vacuüm in de ruimte

Dat is niet bepaald een zware opgave, in de ruimte heb je minimaal de temperatuur van de achtergrondstraling van 2,7K. In Aardse laboratoria wordt al routinematig de milli en zelfs nano Kelvin schaal gehaald.

[Qwerty-273]

Nu nog de doomsday denkers: "Ze creëren een zwart gat net naast de aarde!!!!"

[mark-k]

Dat is totaal iets anders dan dit, er wordt hier niet met een deeltjesversneller gewerkt. Dit is basically een geavanceerde koelkast.

[Verwijderd]

Dat riep men van de LHC in CERN. En zelfs als dat zo zou zijn, een zwart gan van enkele atomen groot kan geen kwaad. Het veredampt ook onmiddelijk vanwege Hawking straling.

[hjs]

de "grap" nu maken, hey hebben ze mn ex ingehuurd, past hier zeker niet

[Pendaco]

Hahaha, ze mogen m'n schoonmoeder wel lenen, die heeft een extreem koude doos

[pennywise666]

zit in de familie zeker;)

[MrBernard]

Hoe weet jij dat?

[Dutch_CroniC]

Ja inderdaad, hoe weet jij dat

[Verwijderd]

Hij ligt ook wel erg voor het oprapen inderdaad

[Xerion404]

Ik dacht al dat Frozen 2 een adult film gaat worden

[MrBernard]

Hopelijk openen ze niet weer een zwart gat waar ik ingezogen wordt.

Ontopic: Fascinerend experiment.

[Horax]

Alweer? xD

[Zoijar]

Alles is al gebeurd, gaat weer gebeuren en blijft eeuwig gebeuren. Denk daar maar eens aan als je wat stoms doet

[Horax]

Met alles bedoel je ook een fascistische staat?