可能解開宇宙謎團？對，第五種物質狀態來了

2020-08-26 AZSpace紫微科技

物質有幾種形態？


以冰塊為例的固體、以水為例的液體、以水蒸氣為例的氣體……這三種狀態在地球上隨處可見，在溫度和壓力的作用下可以互相轉換。如果你有幸看到過極光，那麼就會遇見第四種物質形態——等離子體。早在20世紀20年代初，阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein）和印度數學家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）就預言了物質的第5種狀態——玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einsteincondensate，簡稱BEC）

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。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。


可以理解為，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。

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。自BEC首次被發現之後，全世界各地數百個不同實驗室對其展開了研究，並將其作為研究量子物理學的重要工具。


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——地球重力會干擾固定 BEC 觀察位置所需的磁場，BEC容易消失。科學家們把眼光投向重力微弱的太空環境，意圖獲得更長的觀察時間。

2018年5月21日，在美國維吉尼亞州利用Orbital ATK公司研發的安塔爾火箭，發射升空一臺名為冷原子實驗室（CAL）的實驗儀器，由NASA噴氣推進實驗室（JPL）負責，可利用國際空間站上的雷射和磁場把原子云冷卻到接近絕對零度的超低溫度。該公司的「天鵝座」太空艙將會滿載7385磅（3350公斤）的科研設備、食品、衣物與其他補給進行升空，其中包括能幫助太空人導航的古老的手持式六分儀，還有可將糞便轉化為燃料的轉基因大腸桿菌。

諾斯羅普·格魯曼天鵝座宇宙飛船 來源NASA


作為全宇宙的「寒極」，CAL能有多冷？

「最低溫度」是零下272.7攝氏度——僅比絕對零度高了不到一度，當之無愧是宇宙中最「冷」的地方。


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。


科學家們希望能在這寶貴的5—10s對BEC的觀測時間，得到更多研究與進展，甚至還有可能以此為依據檢驗物理學的兩項核心但難以調和的理論：全宇宙通用的愛因斯坦理論和支配微觀世界的量子力學理論。


浩瀚宇宙最大謎團的答案，或許就蘊藏在這位於地球軌道上的一小團極寒原子云中……

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