第五种物质状态在国际空间站诞生

2020年06月12日08:48  来源:科技日报
 

  英国《自然》杂志10日发表一篇量子物理研究,加州理工学院科学家团队报告成功在国际空间站上产生第五种物质状态——玻色-爱因斯坦凝聚,并测量了相关特性。太空中的微重力环境,让人类得以在这种奇异物质状态中探索基础物理学,同时为未来人类在太空执行更宏大的任务奠定了基础。

  玻色-爱因斯坦凝聚是玻色子原子在冷却到接近绝对零度时所呈现出的一种物质状态。在这样的低温下,原子成为具有量子特性的单一实体。玻色-爱因斯坦凝聚横跨量子力学支配的微观世界和经典物理支配的宏观世界,因此有望提供关于量子力学的基本洞察,但是受重力作用影响,难以对其进行精准测量。

  美国加州理工学院科学家罗伯特·汤普森及其同事为了克服这些限制,在国际空间站上启动并成功运行冷原子实验室。他们描述了在微重力条件下制备的玻色-爱因斯坦凝聚,并测量了它们与在地球上观测到的玻色-爱因斯坦凝聚之间的特性差异。

  例如,前者的自由膨胀时间(在关闭陷阱后,原子盘旋并能被测量的时长)超过了1秒,而后者一般只有几十毫秒。可观测时间的延长,可以提高测量的精准度。此外,在微重力条件下,原子能被较弱的力捕捉,从而有可能达到较低的温度,此时奇异的量子效应就会变得愈加明显。

  2018年7月,美国国家航空航天局喷气推进实验室开始利用冷原子实验室,尝试在国际空间站上制造极端低温。在仅比绝对零度高100纳开尔文的状态下,铷原子呈现玻色-爱因斯坦凝聚态,不过当时冷原子实验室尚处于调试阶段,未正式开启科研。

  现在最新的结果表明,太空实验室有益于未来研究超冷原子气体。“在太空中成功制备出玻色-爱因斯坦凝聚,为研究量子气体和原子干涉创造了新机会,也为未来更加宏大的任务铺平了道路。”德国汉诺威莱布尼兹大学麦卡·卢切曼在相应的新闻与观点文章中写道。(记者张梦然)

  总编辑圈点

  从2018年至今,空间站的冷原子实验室得到了人们的持续关注——它是同类产品中第一个安装在太空中的系统,也是最冷和最紧凑的设备。科学家付出了巨大努力去克服在空间站上运行这一复杂设施所面临的障碍,终于使它拿出了正式投入使用后的成果。在人类迄今打造的最寒冷的地方,科学家们可以观察到难以获得的物质第五态,它存留时间更长,为人们赢得了更多的研究时间,进而可在微重力环境下探索量子物理中长期悬而未决的问题,并最终将成果延伸到芯片、纳米、精密测量等等领域。

(责编:赵竹青、吕骞)