國際空間站首次創(chuàng)造出「物質(zhì)的第五態(tài)」量子世界探索新路徑

25 年前，人類首次創(chuàng)造出物質(zhì)的第五態(tài)—;—;玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（Bose-Einstein condensate，BEC）。

由此，這一量子態(tài)便成為了量子物理學(xué)研究的重要工具。

25 年后，科學(xué)家們在國際空間站中再次創(chuàng)造出 BEC，并在國際空間站中進(jìn)行試驗(yàn)研究，首批研究結(jié)果已在《Nature》發(fā)表，題為“Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab”。

雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))注：圖片截自 Nature

物質(zhì)第五態(tài)

在日常生活中，物質(zhì)通常有四種形態(tài)—;—;氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和等離子態(tài)；而玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)則是區(qū)別于前四種形態(tài)的第五種物質(zhì)狀態(tài)。

這是一種奇特的物質(zhì)狀態(tài)，它是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)。

也就是說，當(dāng)溫度足夠低，原子運(yùn)動(dòng)速度足夠慢時(shí)，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài)，形成一個(gè)宏觀的量子狀態(tài)。

雷鋒網(wǎng)注：圖源 wikipedia

1995 年，麻省理工學(xué)院的沃夫?qū)P特利與科羅拉多大學(xué)鮑爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態(tài)的銣原子在 170 nK 的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。

與其它日常物質(zhì)形態(tài)相比，BEC 非常不穩(wěn)定，只要脫離實(shí)驗(yàn)室，與外界接觸，就會(huì)發(fā)生相互作用使它們加熱到超出臨界溫度，從而分解為單一的原子狀態(tài)。

基于此，BEC 要在現(xiàn)實(shí)中得到應(yīng)用，還尚需時(shí)日。

不過，科學(xué)家們對 BEC 的探索從未停止。

BEC 研究，從地面到太空

在 BEC 首次被發(fā)現(xiàn)之后，世界各地有近百個(gè)實(shí)驗(yàn)室對其展開了研究。

2016 年 5 月，來自澳大利亞的研究團(tuán)隊(duì)還首次使用人工智能制造出了玻色-愛因斯坦凝聚。在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，AI 主要起到調(diào)節(jié)溫度以及防止原子逃逸的激光束的作用。

盡管有多個(gè)研究在開展，但始終面臨著一個(gè)難以避免的阻礙—;—;地球重力。

前面提到，這是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，但形成這一形態(tài)的“超級原子”十分脆弱，地球重力會(huì)干擾固定 BEC 觀察位置所需的磁場，容易使 BEC 消失，因此在地球?qū)嶒?yàn)室中很難對其進(jìn)行深入了解。

為了不讓原子在重力作用下隨著能量而運(yùn)動(dòng)，科學(xué)家們將目光移至太空領(lǐng)域。

2017 年，德國物理學(xué)家在太空中啟動(dòng)了 MAIUS 1 實(shí)驗(yàn)，將堿金屬原子冷卻轉(zhuǎn)化為玻色-愛因斯坦冷凝物的專門裝置搭載于火箭發(fā)射至太空，再利用返回地球前的失重狀態(tài)對其進(jìn)行研究。

不過，這一過程僅有幾分鐘的時(shí)長，對研究的幫助仍十分有限。于是，科學(xué)家們直接將實(shí)驗(yàn)室發(fā)送至國際空間站。

2018 年，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家 David Aveline 創(chuàng)建了冷原子實(shí)驗(yàn)室，并將其安置于國際空間站中，以此展開對 BEC 的研究，研究結(jié)果已于 6 月 11 日發(fā)表至《Nature》。

國際空間站創(chuàng)造出 BEC

雷鋒網(wǎng)注：圖源 Science

在冷原子實(shí)驗(yàn)室中，紅色激光會(huì)將具有相同數(shù)量質(zhì)子和電子的玻色子原子固定在一定位置，將其冷卻到接近絕對零度。

原子被逐漸冷卻后會(huì)凝結(jié)成越來越致密的原子云，同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)裝備利用線圈產(chǎn)生磁場，以此用來捕獲原子，使其陷入“磁陷阱”中，便于觀察。

值得說明的是，雖然在極度低溫的條件下原子不會(huì)輕易移動(dòng)，但一旦原子間產(chǎn)生了排斥作用，就會(huì)導(dǎo)致原子云爆炸，BEC 也會(huì)在幾秒鐘內(nèi)被稀釋而無法繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

因此，為了順利推進(jìn)研究，就必須削弱原子云的膨脹速率。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在地球上，要降低原子云的膨脹速率需要加深磁陷阱，以此來對抗重力影響。而在國際空間站中則不需要，由于重力微弱，即便是淺淺的磁陷阱也能夠產(chǎn)生 BEC。

另外，研究指出，基于國際太空站的微重力環(huán)境，研究人員對 BEC 的研究也能夠持續(xù)更長時(shí)間。比如說，在太空中，研究人員有 1.1 秒的時(shí)間能夠觀察磁陷阱中釋放的原子；而在地球上的觀測時(shí)間僅有 40 毫秒。

開啟 BEC 探索新機(jī)遇

無疑，該研究對了解 BEC 這一物質(zhì)狀態(tài)具有正向意義。

研究人員指出，在軌道上成功創(chuàng)造出 BEC，這不僅為量子氣體研究以及原子干涉測量帶來新機(jī)遇，也為執(zhí)行更宏大的任務(wù)鋪平了道路。

在論文的摘要中，研究人員也指明了任務(wù)方向，主要包括對微重力特有的阱拓?fù)?、原子激光源、少體物理和原子波干涉測量的尋路技術(shù)的長期研究。

對此研究，德國航空航天中心量子技術(shù)研究所的莉薩·韋爾納評價(jià)道：

能夠在在軌道上研究 BEC 將幫助科學(xué)家進(jìn)一步了解基礎(chǔ)物理學(xué)，也讓新的、更靈敏的量子測量手段更具備可能性。怎么強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對科學(xué)界的重要意義都不過分。

除了在研究技術(shù)層面帶來的驚喜，物理學(xué)家們此前指出，通過對 BEC 的進(jìn)一步了解，或許還能夠揭開包括暗能量在內(nèi)的一些神秘現(xiàn)象的重要線索。

參考資料：

【1】https://www.nature.com/articles/d41586-020-01653-6#ref-CR1

【2】https://phys.org/news/2020-06-quantum-state-space.html

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80%93Einstein_condensate

【4】https://www.sciencenews.org/article/weird-quantum-state-matter-bose-einstein-condensate-space-station

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