在太空新「樂園」玩轉量子力學
2020-12-06 大眾網
NASA冷原子實驗室上的設施將使用雷射器和其他技術，將原子冷卻到絕對零度附近。
圖片來源：英國《自然》雜誌官網
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。
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。
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。（劉 霞）
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