國際空間站首次創造出「物質的第五態」,量子世界探索新路徑

2020-11-28 雷鋒網

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

由此，這一量子態便成為了量子物理學研究的重要工具。

25 年後，科學家們在國際空間站中再次創造出 BEC，並在國際空間站中進行試驗研究，首批研究結果已在《Nature》發表，題為「Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab」。

雷鋒網註：圖片截自 Nature

物質第五態

在日常生活中，物質通常有四種形態——氣態、液態、固態和等離子態；而玻色-愛因斯坦凝聚態則是區別於前四種形態的第五種物質狀態。

這是一種奇特的物質狀態，它是玻色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。

也就是說，當溫度足夠低，原子運動速度足夠慢時，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態，形成一個宏觀的量子狀態。

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)註：圖源 wikipedia

1995 年，麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學鮑爾德分校的埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在 170 nK 的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。

與其它日常物質形態相比，BEC 非常不穩定，只要脫離實驗室，與外界接觸，就會發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。

基於此，BEC 要在現實中得到應用，還尚需時日。

不過，科學家們對 BEC 的探索從未停止。

BEC 研究，從地面到太空

在 BEC 首次被發現之後，世界各地有近百個實驗室對其展開了研究。

2016 年 5 月，來自澳大利亞的研究團隊還首次使用人工智慧製造出了玻色-愛因斯坦凝聚。在此項實驗中，AI 主要起到調節溫度以及防止原子逃逸的雷射束的作用。

儘管有多個研究在開展，但始終面臨著一個難以避免的阻礙——地球重力。

前面提到，這是一種特殊的物質形態，但形成這一形態的「超級原子」十分脆弱，地球重力會干擾固定 BEC 觀察位置所需的磁場，容易使 BEC 消失，因此在地球實驗室中很難對其進行深入了解。

為了不讓原子在重力作用下隨著能量而運動，科學家們將目光移至太空領域。

2017 年，德國物理學家在太空中啟動了 MAIUS 1 實驗，將鹼金屬原子冷卻轉化為玻色-愛因斯坦冷凝物的專門裝置搭載於火箭發射至太空，再利用返回地球前的失重狀態對其進行研究。

不過，這一過程僅有幾分鐘的時長，對研究的幫助仍十分有限。於是，科學家們直接將實驗室發送至國際空間站。

2018 年，NASA 噴氣推進實驗室的物理學家 David Aveline 創建了冷原子實驗室，並將其安置於國際空間站中，以此展開對 BEC 的研究，研究結果已於 6 月 11 日發表至《Nature》。

國際空間站創造出 BEC

雷鋒網註：圖源 Science

在冷原子實驗室中，紅色雷射會將具有相同數量質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。

原子被逐漸冷卻後會凝結成越來越緻密的原子云，同時，該實驗裝備利用線圈產生磁場，以此用來捕獲原子，使其陷入「磁陷阱」中，便於觀察。

值得說明的是，雖然在極度低溫的條件下原子不會輕易移動，但一旦原子間產生了排斥作用，就會導致原子云爆炸，BEC 也會在幾秒鐘內被稀釋而無法繼續進行試驗。

因此，為了順利推進研究，就必須削弱原子云的膨脹速率。

研究人員發現，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，由於重力微弱，即便是淺淺的磁陷阱也能夠產生 BEC。

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

開啟 BEC 探索新機遇

無疑，該研究對了解 BEC 這一物質狀態具有正向意義。 

研究人員指出，在軌道上成功創造出 BEC，這不僅為量子氣體研究以及原子幹涉測量帶來新機遇，也為執行更宏大的任務鋪平了道路。

在論文的摘要中，研究人員也指明了任務方向，主要包括對微重力特有的阱拓撲、原子雷射源、少體物理和原子波幹涉測量的尋路技術的長期研究。

對此研究，德國航空航天中心量子技術研究所的莉薩·韋爾納評價道：

能夠在在軌道上研究 BEC 將幫助科學家進一步了解基礎物理學，也讓新的、更靈敏的量子測量手段更具備可能性。怎麼強調這項實驗對科學界的重要意義都不過分。

除了在研究技術層面帶來的驚喜，物理學家們此前指出，通過對 BEC 的進一步了解，或許還能夠揭開包括暗能量在內的一些神秘現象的重要線索。


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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