國際空間站有個極冷“冰箱”,科學家用它製備第五種物質形態

我們熟知的物質形態有固態、液態和氣態。1879年,科學家們發現了帶負電的電子和帶正電的離子共存的等離子態。1924年,愛因斯坦預言當一團原子冷卻到接近絕對零度時,會出現一種奇特的新狀態。

這第五種物質形態——玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate)自1995年被美國科學家制備成功後,就一直成為研究量子力學的重要實驗室工具。

6月11日,根據發表在《自然》(Nature)雜誌上的一篇論文,美國加州理工學院(Caltech)一個團隊成功把玻色-愛因斯坦凝聚態搬上了國際空間站。太空中的微重力環境使這種奇異狀態的奇異性得以更充分地展現。

為什麼說它奇異?在量子力學的視角下,每個單個粒子都具有波粒二象性,可以被描述為一種物質波。而當一團原子冷卻到超低溫度,它們都落入最低的能量態上,分享相同的物質波,宛如一個整體。

既是一團原子,又是一個“超級原子”;既是宏觀,又是微觀。

這團原子雲橫跨了由量子力學支配的微觀世界和經典物理支配的宏觀世界,為科學家們洞察物理學的基本性質提供橋樑。不過,要想在地表實驗室裡對這種宏觀量子態進行精確測量,會受到重力作用的干擾。

原來,製備玻色-愛因斯坦凝聚需要磁場做一個陷阱困住這些原子,然後再用射電波段的光把能量最高——即最“熱”的那部分原子趕出去,留下較“冷”的原子在更低的溫度下達到平衡狀態。不斷重複上述過程,一團冷原子就形成了。

然而,要對它們進行測量及實驗,就不得不把它們從陷阱裡先放出來。放出來後,原子間產生不可避免的斥力,導致極端的時間內,原子雲就會擴張,玻色-愛因斯坦凝聚大大地稀釋。

因此,要點在於儘量快地把原子團從陷阱裡取出來。

噴氣推進實驗室(JPL)專案科學家羅伯特·湯普森(Robert Thompson)及同事發現,如果在微重力條件下製備玻色-愛因斯坦凝聚,陷阱可以比地表實驗室做的更“淺”,取出來也就更容易,還可以製備“泡泡”形的特殊陷阱。

國際空間站有個極冷“冰箱”,科學家用它製備第五種物質形態

地表(上排)和太空(下排)的深陷阱、淺陷阱和泡泡陷阱。

於是,他們透過對裝置體積、重量、能效和可靠性的提升,將一個“超級冰箱”——冷原子實驗室送上國際空間站。

在宇宙中這方人為開闢的最冷小天地裡,研究人員製備玻色-愛因斯坦凝聚。關閉陷阱後,原子團盤旋並能被測量的時長超過了1秒,而地表實驗室中的玻色-愛因斯坦凝聚一般只能維持幾十毫秒。這大大提高了測量準確性。

此外,在微重力條件下,原子能被較弱的力捕捉,從而可能達到較低的溫度,此時奇異的量子效應就會變得愈加明顯。

這些初步實驗表明,太空冰箱將助力未來的超冷原子氣體研究。“在太空中成功製備出玻色-愛因斯坦凝聚,為研究量子氣體和原子干涉創造了新機會,也為未來執行更加宏大的任務鋪平了道路。”德國萊布尼茲大學的Maike Lachmann在《自然》同期發表的“新聞與觀點文章”中評價道。例如,相關技術的發展可以用於檢驗自由落體的普遍性和暗能量理論。

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