太空首次觀測到「物質的第五態」,或解決量子宇宙中最棘手難題

2020-12-22 騰訊網

編譯/採寫:南都記者 史明磊

最新研究顯示,科學家首次在太空中觀測到物質的第五種狀態,提供了前所未有的洞察力,可能有助於解決量子宇宙中一些最棘手的難題。科學家們相信,玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)包含了諸如暗能量等神秘現象的重要線索。

據法新社6月11日報導,所謂玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC),是當某些元素的原子冷卻到接近絕對零度(0開爾文,即零下273.15攝氏度)時形成的。阿爾伯特·愛因斯坦和印度數學家薩蒂恩德拉·納特·博斯在近一個世紀前就預言了這種凝聚態的存在。

在這一點上,原子成為具有量子屬性的單一實體,其中每個粒子也起到物質波的作用。BEC橫跨在由重力等力控制的宏觀世界和由量子力學控制的微觀平面之間。

科學家們相信,BEC包含了諸如暗能量等神秘現象的重要線索,暗能量被認為是宇宙加速膨脹背後的未知能量。

但是,BEC是極其脆弱的。與外部世界的最輕微的互動,就足以讓它們溫暖到超過凝結的門檻。科學家幾乎不可能在地球上研究它們,因為地球上的重力幹擾了將它們固定在適當位置進行觀測所需的磁場。

周四,美國宇航局(NASA)的一個科學家小組公布了國際空間站上BEC實驗的首批結果,在那裡粒子可以不受地球限制地進行操縱。

加州理工學院的羅伯特·湯普森(Robert Thompson)表示:「微重力使我們可以用更弱的力來限制原子,因為我們不必支持它們對抗重力。」

這項發表在《自然》(Nature)雜誌上的研究記錄了地球上創建的BEC和國際空間站上的BEC在屬性上的幾個驚人差異。

首先,地球實驗室中的BEC在消散之前通常會持續幾毫秒。在國際空間站上,BEC持續了一秒鐘以上,為團隊提供了一個前所未有的機會來研究它們的屬性。

微重力還允許原子被較弱的磁場操縱,加快了它們的冷卻速度,並允許更清晰的成像。

創造物質的第五種狀態,特別是在空間站的物理範圍內,絕非易事。首先,用雷射將玻色子(具有相同數量的質子和電子的原子)夾在適當的位置,冷卻到絕對零度。

原子移動得越慢,它們就變得越冷。當它們散熱時,會引入一個磁場來阻止它們移動,每個粒子的波都會膨脹。

將許多玻色子塞進一個微觀的「陷阱」,使它們的波重疊成一個物質波——這一特性被稱為量子簡併(quantum degeneracy)。

第二次釋放磁阱是為了讓科學家研究凝析油,然而,原子開始相互排斥,導致飛離,BEC變得太稀薄,無法檢測到。

湯普森和團隊意識到,國際空間站上的微重力使他們能夠在比地球上淺得多的「陷阱」上,從銣(一種類似於鉀的軟金屬)中創建BEC。

這就是凝析油在擴散前可以研究的時間大大增加的原因。湯普森說:「最重要的是,我們可以觀察到原子在完全不受外力約束的情況下漂浮。」

以前的研究試圖模擬失重對BEC的影響,使用的是自由落體中的飛機、火箭,甚至是從不同高度墜落的設備。

研究小組負責人戴維·艾夫林(David Aveline)說,在微重力下研究BEC打開了許多研究機會。「應用範圍從廣義相對論的測試、暗能量和引力波的搜索,到太空飛行器導航,以及在月球和其他行星體上尋找地下礦物。」

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