奇異物質:國際空間站的新成員

2020-12-17 解仁江

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作者：王茸

校對：楊伯順 王婧彧 張硯斌 張宇辰

美編：崔鬱

後臺：庫特莉亞芙卡、李子琦

奇異物質：國際空間站的新成員

奇異物質（exotic matter）是什麼東東？含義聽起來有些許科幻的味道。物理學上與普通物質相區別，把具有奇異性質的物質統稱為奇異物質，也可以叫做異常物質。不妨繼續往下想，哪些物質可以歸入奇異物質呢？比如大名鼎鼎的暗物質、打破了已知物理定律的粒子、未經過確認的假想粒子、以及符合已知物理定律的物質極端狀態等。

(Credit: NIST/JILA/CU-Boulder)

1995年，科學家在170 nK（1nK=10^-9K）的低溫下首次獲得玻色-愛因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensates，簡稱BECs）。所謂玻色-愛因斯坦凝聚，指玻色子（遵循玻色-愛因斯坦統計，自旋量子數為整數的粒子。費米子與其相對，指自旋為半奇數的粒子。）原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態。上圖為氣態銣原子速度的分布，證實了玻色-愛因斯坦凝聚的存在。

科學家最近利用國際空間站的特殊微重力環境，製成了一種物質的奇異形態來研究量子世界。眾所周知，我們常見的物質形態有四種：氣態、液態、固態和等離子態。上文提到的玻色-愛因斯坦凝聚可以看作是物質的第五態。當這組原子被冷卻到接近絕對零度時，他們開始「抱團」，表現得就像是一個大的超原子一樣。

玻色-愛因斯坦凝聚橫跨了我們對經典物理學統治下的日常世界和量子物理學描述的微觀世界。量子物理的世界中，一個粒子可以同時向兩個方向旋轉，甚至可以同時出現在兩個或多個不同的地方。正是這種符合量子行為的特性，讓玻色-愛因斯坦凝聚可能為科學家提供通往量子世界的關鍵線索，甚至可能解決一些關於「萬物理論」的謎團， 揭示從最微觀尺度到宏觀尺度的宇宙運行規律。

(Credit: Emily Edwards, Joint Quantum Institute)

咦？甜甜圈！這是藝術家對於玻色-愛因斯坦凝聚膨脹環的想像圖。冷原子物理在宇宙學方面的研究近幾年來「如火如荼」。現在，科學家們開始在全球數以百計的實驗室中製造玻色-愛因斯坦凝聚。然而，這項研究的攔路虎之一就是重力。這些「超原子」不僅極其脆弱， 獲取它們的過程也非常精細，而地球重力會影響這兩方面，讓了解和研究它們的難度增加。

因此，研究者們設計和建造了冷原子實驗室（Cold Atom Lab），它可以在國際空間站軌道的微重力條件下製造出玻色-愛因斯坦凝聚。冷原子實驗室能耗非常低，在2018年被送上了國際空間站。和人類在地球上建立的實驗室相比，冷原子實驗室體積僅有0.4立方米，僅需要510瓦的電力就能運轉。此外，科學家們對凝聚的研究分析時間也增加到了在物質狀態的俘獲結束後一秒以上。你可能認為這個研究時間非常短，可是事實上，科學家在地球上完成同樣任務只有百分之一秒的時間窗口。

此外，微重力的條件下，需要用來「俘獲」玻色-愛因斯坦凝聚的力更小，這意味著大家可以在更低的溫度下就製造出凝聚。而且，這樣溫度條件下，量子的特性會變得更顯著呦。

目前，大家是用銣原子來製造玻色-愛因斯坦凝聚。科學家的目標是加入鉀原子來研究兩種原子凝聚混合後會發生什麼。而且，他們還試圖在冷原子實驗室裡製造球形玻色-愛因斯坦凝聚（spherical Bose-Einstein condensates），這個只能在太空中被創造出來。

歡迎國際空間站的新成員：奇異物質。過去，我們用粒子加速器和天文臺來研究自然，未來，冷原子會幫助人類認識更廣闊的世界。

參考文獻

https://www.space.com/41351-ultracold-atoms-early-universe-expansion.html

https://www.space.com/exotic-matter-quantum-world-on-space-station.html

科普不易，各位老爺賞點飯錢吧~

責任編輯：楊伯順

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