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國際空間站創造出新奇物質第五態:探索量子世界

2020-06-15 16:08:30 來源:新浪科技
在一項新研究中,科學家在國際空間站獨特的微重力環境下制造了一種新奇的物質狀態,并以此來探索量子世界。在日常生活中,物質通常呈現為4種狀態,分別是氣態、液態、固態和等離子態。然而,物質還有第5種狀態——玻色-愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein condensates,簡稱BECs)。

 

氣態銣原子的速度分布數據,證實了1995年發現的玻色-愛因斯坦凝聚

 
這是由愛因斯坦與薩特延德拉·納特·玻色在1924年預測,并由沃爾夫岡·克特勒、埃里克·康奈爾及卡爾·威曼所領導的團隊,在1995年首先通過實驗制造出來的物質狀態。當一組原子冷卻到接近絕對零度時,原子開始聚集在一起,表現得如同一個巨大的“超級原子”。這是一種氣態的、超流性(完全缺乏黏性)的物質狀態,在這種狀態下,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。

玻色-愛因斯坦凝聚橫跨由經典物理控制的日常世界與遵循量子力學規則的微觀世界。在量子力學的世界里,一個粒子可以表現得好像它同時朝兩個相反的方向旋轉,或者在兩個或更多的地方同時存在。由于玻色-愛因斯坦凝聚體遵循著某些量子行為,因此有望為科學家提供量子力學基本原理的關鍵線索,甚至有可能為建立“萬物理論”提供幫助,從而解釋宇宙在最小到最大的尺度上是如何運行的。

現在,在世界各地的數百個實驗室中,科學家已經可以常規地制造出玻色-愛因斯坦凝聚。然而,阻礙這項研究的限制之一是地球的重力。這些“超級原子”極其脆弱,制造它們的裝置也極其精細,因此地球上的重力可能會把它們都破壞掉,從而很難對其進行深入了解。

于是,研究人員在國際空間站開發并成功運行了冷原子實驗室,可以微重力條件下產生玻色-愛因斯坦凝聚。該實驗室于2018年發射,體積很小,所需的能量相對較少,因此滿足了空間站的特定限制條件。在地球上,制造玻色-愛因斯坦凝聚所需的設備可以占據整個實驗室,但冷原子實驗室的體積只有約。4立方米,平均需要510瓦的電力。

在這項新研究中,研究人員通過冷原子實驗室發現,微重力條件下玻色-愛因斯坦凝聚的自由膨脹時間超過了1秒,使可觀測時間大為延長,并提高了測量的精確度。相比之下,在地球上,科學家只有幾十毫秒的時間來完成同樣的任務。此外,在微重力條件下,科學家可以用更弱的力來捕獲凝聚物;這反過來意味著可以在更低的溫度下產生玻色-愛因斯坦凝聚,此時奇特的量子效應會變得更加明顯。

到目前為止,研究人員已經利用銣原子制造了玻色-愛因斯坦凝聚物。該研究的資深作者、美國加州理工學院的物理學家羅伯特·湯普森(Robert Thompson)表示,他們最終打算加入鉀原子,來研究當兩種凝聚態混合時會發生什么。此外,研究人員還試圖利用冷原子實驗室制造出球形的玻色-愛因斯坦凝聚態,這種形態只有在太空中才能出現。

“過去,我們對大自然內部運行機制的主要見解來自粒子加速器和天文臺;在未來,我相信對冷原子進行精確的測量將發揮越來越重要的作用,”湯普森補充道。他們的詳細研究結果發表在6月11日出版的《自然》(Nature)雜志上。

什么是玻色-愛因斯坦凝聚?

玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)被稱為物質的第五態,而前四種分別是固態、液態、氣態和等離子態。這種狀態是在接近絕對零度的低溫下形成的,而且只在表現得像玻色子的原子中形成。

玻色子是兩種基本粒子中的一種。當玻色子原子冷卻形成凝聚態時,它們會失去自己的特性,其行為就像一個巨大的超級原子集團,有點像在激光束中變得難以分辨的光子。1995年6月5日,美國科羅拉多大學博爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼通過實驗制造出了第一個玻色-愛因斯坦凝聚。四個月后,麻省理工學院的沃爾夫岡·克特勒使用鈉-23獨立獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。2001年,康奈爾、威曼和克特勒分享了諾貝爾物理學獎。

雖然玻色-愛因斯坦凝聚很難理解也很難制作,但它們具有許多非常有趣的特性。比如,它們可以達到異常高的光學密度差。一般來說,凝聚體的折射系數非常小,因為其密度比平常的固體要小得多。但使用激光可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態,使其對一定的頻率的折射系數驟增。由此光速在凝聚內的速度就會驟降,甚至降到數米每秒。

自轉的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型,入射光不會逃離。玻色-愛因斯坦凝聚也可以用來“凍結”光,這些被“凍結”的光在凝聚分解時又會被釋放出來。


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