NASA將發射冷原子實驗室,探測地球上無法觀察的量子現象

2020-12-14 澎湃新聞

量子物理學家即將在太空擁有自己的「遊樂場」。據英國《自然》雜誌官網5月8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室將於5月20日發射升空，進入國際空間站。屆時，它將成為目前宇宙中最冷的地方，研究人員將用它探測在地球上無法觀察到的量子現象，如在太空製造「泡泡」「環」和「漩渦」等，從而以前所未有的方式「玩轉」量子力學。

研究人員指出，這可能促使科學家發現新物理學，推進前沿物理學的發展。

宇宙間最冷之地：量子力學的「樂園」

該實驗室由NASA的噴氣推進實驗室（JPL）負責。研究人員稱，冷原子實驗室耗資8300萬美元，主要目標是製造出名為「玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）」的獨特「超流體」物質態，供科學家研究宏觀尺度上的量子力學。

BEC是數十萬個原子組成的雲，當被冷卻到絕對零度附近時，數十萬個原子的行動保持同步，就像單一的量子物體一樣。該任務項目經理、噴氣推進實驗室的卡姆爾·奧德瑞自豪地表示：「能夠在太空進行這些實驗是一項巨大的成就。」

在地球上，一般情況下，重力在幾秒鐘之內就會讓BEC分崩離析。但如果它們漂浮在國際空間站，應該能「存活」至少10秒鐘。這一時間足夠讓它們被冷卻到創紀錄的低溫——可能只比絕對零度高20萬億分之一攝氏度。

奧德瑞說，這是宇宙中已知最冷的溫度。美國國家標準與技術研究院（NIST）原子物理學家格雷琴·坎貝爾說，更冷且更「長壽」的BEC將「推動前沿基礎物理領域的研究，15年來，科學家一直期盼會產生新的物理學。」

麻雀雖小五臟俱全：工具包大小的實驗設備

國際空間站可謂「寸土寸金」，所以工程師不得不壓縮原子物理設備的大小，將填滿一個大房間的設施壓縮到一個冷藏箱大小的箱子內。該設備利用雷射來冷卻銣和鉀原子，使它們幾乎停滯不動；然後，用磁場捕捉原子云；最後，科學家將使用其他冷卻技術——包括無線電波「刀」來剝離能量最高的原子等，將原子云冷卻到更接近絕對零度的溫度，從而創造出BEC。

NASA冷原子實驗室內，雷射器和其他技術將原子冷卻到絕對零度附近。來源：英國《自然》雜誌官網

此外，工程師還必須設計屏蔽層，以保護脆弱的BEC免受密集組件和不斷變化的地球磁場的幹擾。而且，實驗只有在國際空間站上的科研人員睡覺之後才運行，以儘量減少任何運動可能造成的幹擾。

該技術比最初設想的要簡單，因為更複雜的實驗室版本出現了問題，影響了真空室並且可能會導致項目延期，這導致物理學家暫時無法實現他們的最終目標——執行基於太空的原子幹涉測量，這個過程會將BEC的量子波分成兩部分並重新組合，得到的幹涉圖案讓科學家可以更精確地分析重力的影響，也能讓他們測試BEC是否可用作極為靈敏的旋轉和重力傳感器。

不過，該任務科學家、JPL的羅伯特·湯普森說，更高級的套件應該會在2019年底到達國際空間站。

玩轉量子力學：氣泡、環和漩渦

湯普森說，儘管裝備不足，但物理學家仍可就目前的情況發現新物理學。屆時，將有5支研究團隊使用這一實驗室進行實驗。其中一個團隊計劃使用無線電波和磁場，讓BEC形成約30微米的氣泡形。根據量子力學，由於氣泡既纖薄又沒有邊緣，BEC的行為應與地球上形成圓盤或球體時的行為迥然不同。

冷原子實驗室被用於研究處於國際空間站得微重力環境下的超冷的量子流體。來源：英國《自然》雜誌官網

史密斯學院理論物理學家科特尼蘭·內特說，它可能更容易形成一種名為「渦流」的旋渦。在地球上，當流體下落時，試圖產生氣泡的過程總是以碗形狀結束。她說：「除非我們能擺脫重力，否則我們根本無法獲得這種形狀。」

科羅拉多大學的埃裡克·康奈爾與他人共同發現BEC而榮獲2001年諾貝爾物理學獎，此次，他領導的團隊將嘗試創造出被稱為「埃菲莫夫」（Efimov）態的奇異的鬆散結合系統。這一物質形態以1970年提出其存在的俄羅斯理論物理學家維塔利·埃菲莫夫的名字命名，在原子結合力太弱而不能結成對，從而形成「三人組」的情況下，這些量子態會突然「現身」。這一結構與著名的拓撲結構博羅米爾（Borromean）環類似。乍看上去，博羅米爾環是三個互鎖的環，但細看則不然：沒有兩個環是互鎖的。如果打斷任一個環，整個結構就分開了。只有保持三個環都完整，這些環才能結合在一起。

核物理學家對這一結構非常感興趣，因為它們與由中子和質子構成的罕見的三粒子核類似，而科學家目前對三粒子核知之甚少。

康奈爾團隊希望創造最簡單的埃菲莫夫態，以及其受激發的膨脹態。在受激發的埃菲莫夫態中，儘管原子間存在細菌大小的縫隙，但其彼此依附。華盛頓州立大學鉑爾曼分校的物理學家瑪倫·莫斯曼說，康奈爾團隊也許能製造出由4個原子組成的此類結構——所謂的四聚體（tetramer）。

自1997年加入JPL，湯普森一直致力於創建這樣的太空實驗室。他認為，目前的實驗室是向更複雜的太空原子物理實驗室邁出的關鍵一步。NASA正與德國航空航天中心（DLR）攜手建造一個名為BECCAL（玻色-愛因斯坦冷凝體和冷原子實驗室）的設施。

（原標題：在太空新「樂園」玩轉量子力學）

(本文來自澎湃新聞，更多原創資訊請下載「澎湃新聞」APP)

相關焦點

  • 雷射冷原子的故事
    10年後，朱棣文團隊在貝爾實驗室首次將納原子冷卻至240 μK。20年後，基於蒸發冷卻的雷射冷卻技術成為實現超冷原子波色愛因斯坦凝聚(BEC)的關鍵，而Carl Wieman和Eric Cornell等人的BEC文章的引用量已超過1萬次。超冷原子研究前沿現已發展到450 pK，由Wolfgang Ketterle團隊創造(所以可說是最酷、跑馬拉松最快的諾獎得主了)。
  • 量子加速度計:導航的新選擇
    簡單地說，量子加速度計是一個獨立的系統，它不依賴任何外部信號，通過測量物體速度隨時間的變化節律，就可以計算出物體的精確位置。據該公司量子技術科學家約瑟夫·湯姆博士介紹，量子加速度計主要依靠測量極低溫度下的超冷原子運動來工作。在超冷狀態下，冷原子就像物質和波一樣，表現為「量子」方式。若要確保測量的準確度，必須使原子處於超冷狀態，用量子力學來描述其運動方式，也就是所謂的量子幹涉儀。
  • 量子糾纏是真實存在的嗎?15萬億個原子在190度高溫發生量子糾纏
    #科學了不起#量子系統中發生的量子糾纏現象為此，科學家為了觀察量子糾纏態，必須小心翼翼地開展實驗，通常會採用很低的實驗溫度，比如冷原子系統。因為溫度越低，粒子的動能越小，量子糾纏態可以維持得久一些。在高溫下，能否觀察到量子糾纏態呢？
  • 量子光力學
    / √Hz).30多年來的引力波探測研究表明:引力波天文學是可能的;宏觀物體在量子極限下的測量和操縱也是可能的.後者已越來越吸引了諸如固態物理、量子信息等不同領域的許多研究人員來尋找大型機械物體在實驗上的量子行為.
  • 火星探測六十年:一切過往,皆為序章
    「天問一號」將承載我國第一個火星探測任務，著陸在火星表面完成巡視探測，獲取火星科學數據，一次性實現對火星「環繞、著陸、巡視」三大目標。火星探測器發射成功只是「萬裡長徵第一步」，「天問一號」還要進入地火轉移軌道，歷經約7個月飛行進入火星軌道範圍。
  • 一張量子物理圖:讓你全面認知量子力學
    從18世紀到19世紀末，發現已有的經典物理理論，無法解釋一些重要的現象，通過這些問題的認知，在20世紀初創立了量子力學。這些現象主要有：氣體吸收並發射特定頻率的光，稱為原子光譜。這是一個謎，對此沒有已知的經典物理解釋。
  • NASA 下月發射雷射衛星,探測地球表面冰層變化
    據國外媒體報導，美國宇航局（NASA）正準備發射一顆裝配雷射器的尖端衛星，該衛星將用三年的時間研究地球上不斷變化的冰層。這顆名為ICESat-2的衛星，目前計劃於9月中旬發射。該衛星將能夠測量單個冰塊厚度隨季節變化情況，記錄變化尺寸的精度可以小到半釐米。
  • 國際空間站上的第五種物質狀態
    2018年，耗資1億美元，NASA將「冷原子實驗室（Cold Atom Lab，CAL）」發射、安置到國際空間站（ISS）。ISS環繞地球做軌道運行，空間站上的重力極其微弱，是研究微重力環境下玻色—愛因斯坦凝聚的理想場所。
  • NASA毅力號火星探測車使用SuperCam超強雷射蒸發巖石進行成分探測
    在2020年的火星探測車中毅力號科學探測器中的7個科學儀器之一的SuperCam,在2020年夏季進行了發射,該SuperCam是由成百上千的部件所組成的,將會把比較典型的幾個一定尺寸的儀器,可以安裝在麥片盒大小的空間中.該設備會從探測車的頭部激發一個脈衝的雷射束的,將巖石從一定距離使得部分巖石發生蒸發,從而提供足夠有用的信息來分析巖石的微生物信號,這是這次發射的重要任務之一.
  • 上海光機所量子光學重點實驗室人才引進工作顯著
    中科院量子光學重點實驗室2004年在引進高水平的學術帶頭人和改善隊伍結構方面取得顯著性進展。目前從國外引進的已經和即將到位的學術帶頭人共有5人，分別是張首鋼博士、王向斌博士、陳昆博士、劉亮博士和顧思洪博士。
  • NASA探測器在小行星上發現水跡象 或蘊藏地球生命起源線索
    美國國家航空航天局戈達德航天中心科學家埃米·西蒙說：「2023年探測器將這些物質的樣本送回地球時，科學家將獲得與太陽系歷史和演化有關的大量寶貴的新資料。」木星上有多少水呢?研究人員表示,需要更多觀察才能找到答案。「朱諾號」任務科學家則稱:「木星的水量情況將告訴我們很多關於木星如何形成的信息。」本報記者任志方整理對木星的探測越來越深入相比登月,人類對木星的探索相對滯後。直到1973年,人類才首次開展飛往木星的航天任務,先驅者10號探測器成功飛越木星。
  • 【把論文寫在祖國大地上】西安交通大學:打造量子光學排頭兵
    據介紹，該研究小組利用光子高維軌道角動量（OAM）量子態以及偏振、路徑等多個自由度，實現了在高維空間中光子量子態的操控邏輯門，在單光子水平上量子態的轉換率達到93%，通過其組合進而可以實現對於高維量子態的任意么正變換操作，為實現基於光子高維量子態的量子計算提供了基礎。「同時，實驗室還開展了雙光子高維量子態的控制操作研究，並取得了很好的進展。
  • 科學家疑探測到比鄰星發射的神秘無線電信號
    去年，帕克斯射電望遠鏡探測到來自離太陽最近的恆星比鄰星方向的神秘無線電信號。 攝影：A. CHERNEY，CSIRO 撰文：NADIA DRAKE 尋找地球外生命訊息的天文學者們發現了一些奇怪的現象。一個尚未解釋的無線電信號似乎來自比鄰星的方向。
  • |嫦娥五號|月球樣品實驗室|深空探測|月球...
    這關係到美國月球探測和重返月球「阿耳忒彌斯」計劃的未來。該機構的目標是到2024年將人類再次送上月球。NO.2 月壤月球土壤（lunar soil）是指月球上所特有的土壤，研究發現，月壤中存在天然的鐵、金、銀、鉛、鋅、銅、銻、錸等礦物顆粒。
  • 探測量子材料中自旋電流的新方法,有望「解鎖「新一代電子器件
    自旋是量子材料的特徵之一，其雖難以捉摸，但卻能被調控以增強電子器件性能。最近，由橡樹嶺國家實驗室的 An-Ping Li 領導的一個研究團隊，開發了一種新穎的顯微鏡技術來探測拓撲絕緣體中的電子自旋。而這些被探測的新型量子材料將可被應用於自旋電子學和量子計算等領域。
  • 量子材料中心劉雄軍組及合作者在Nature Physics發表超冷原子中...
    一個基本原因在於，冷原子中的主要觀測方案包括利用時間飛行和光照相作探測，凡這類方案只能探測冷原子的二維信息，而第三個方向在拍照中被疊加而無法得知信息。比如，沿著z方向拍照x-y平面探測原子分布，實際測量的結果是將沿z方向排布的所有x-y面累計疊加後的結果，無法對冷原子的三維物性實現準確表徵。
  • 中國將發射全球首顆量子科學實驗衛星
    與經典物理學和其他許多學科不同，量子論特別違反常識和直覺。一些看似不關聯的現象竟能結合成一體，讓人哭笑不得，如此無釐頭的理論，如何理解？　　據新華社北京8月15日電　　量子糾纏 愛因斯坦的糾結　　量子是物理世界裡事物的最小份額。
  • 西安交通大學:打造量子光學排頭兵
    據介紹，該研究小組利用光子高維軌道角動量（OAM）量子態以及偏振、路徑等多個自由度，實現了在高維空間中光子量子態的操控邏輯門，在單光子水平上量子態的轉換率達到93%，通過其組合進而可以實現對於高維量子態的任意么正變換操作，為實現基於光子高維量子態的量子計算提供了基礎。　　「同時，實驗室還開展了雙光子高維量子態的控制操作研究，並取得了很好的進展。
  • NASA「毅力」號核動力火星車發射升空,還帶了一架直升機
    一旦成功，將成為首架在其他行星上飛行的可控飛行器。這架直升機無法直接和地球聯絡，要通過「毅力」號進行信息接力傳輸，因此，不能飛離「毅力」號太遠，最遠航程僅300米，最遠通訊距離為1公裡。其實，本次火星直升機項目主要是為了進行技術驗證，並沒有賦予太多任務使命。火星直升機比軌道上的人造衛星解析度更高，而且比火星車更加靈活，機動性更強。
  • 中微子超光速現象一旦證實,將推翻愛因斯坦的相對論
    此次發現OPERA實驗組屬於義大利格朗薩索國家實驗室，它位於橫穿義大利的格朗薩索山脈中，一條高速公路隧道連接山的兩邊，中間有3個大山洞，洞中建起了這個世界上最大的粒子物理實驗室，實驗室在地下1400米深處。2013年11月23日，科學家首次捕捉高能中微子。