25 年來，物理學家們利用超冷原子製成的奇異物質狀態來探測宏觀尺度上的量子行為。現在，他們可以在太空中做到這一點。
這項壯舉——玻色-愛因斯坦凝聚態的創造——來自 NASA 耗資 1 億美元 冷原子實驗室背後的物理學家，該實驗室於 2018 年 6 月在國際空間站開始執行。結果證明了原理，表明該實驗室可以成功利用太空的微重力，從而使科學家能夠創造在地球上不可能實現的現象。該設施有望成為已知宇宙中最冷的地方。
“我認為這真是一項了不起的成就，”馬薩諸塞州北安普頓市史密斯學院的理論物理學家考特尼·蘭納特說。這些發現發表在1 6 月 11 日的《自然》雜誌上。
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奇異行為
玻色-愛因斯坦凝聚態於 1995 年首次建立，當原子云被冷卻到略高於絕對零度時形成。玻色-愛因斯坦凝聚態 在這個溫度下，粒子的波動量子性質占主導地位，它們聚結成一個單一的宏觀量子物體，物理學家可以用它來研究奇異行為。
在地球上，重力限制了對這些原子雲的研究，因為它們會迅速分散，除非用強磁場抵消重力的影響。但在微重力環境下，凝聚態持續時間更長，從而可以進行更精確的研究。並且由於可以在太空中使用用於原子的弱磁“阱”，物理學家可以將它們冷卻到更低的溫度，部分是透過利用一種透過允許凝聚態膨脹來冷卻凝聚態的技術。“大多數量子物理學家會說冷原子實驗很酷，但要讓它們更冷，你必須把它們帶到太空，”加利福尼亞州帕薩迪納市噴氣推進實驗室的 CAL 任務經理卡邁勒·烏德里裡說。
研究人員使用 CAL 的精密雷射器和高真空來產生凝聚態，其壽命超過一秒，溫度高於絕對零度 200 萬億分之一度，與地球上一些最成功的實驗相當。烏德里裡說，在未來的實驗中，該團隊計劃降至創紀錄的 20 萬億分之一度，並創造持續 5 秒的凝聚態。這將使其成為已知宇宙中最冷的地方。
洗碗機大小的實驗室
凝聚態並不是第一個在太空產生的。在暫時跨越太空屏障的火箭以及地球上的落塔上進行的實驗已經表明了這種物質狀態在微重力下的行為方式。但華盛頓州立大學普爾曼分校的物理學家馬倫·莫斯曼說，CAL 是同類實驗室中第一個永久存在於這種環境中的實驗室，並且可能只是首批空間冷原子實驗室中的第一個。她說，它的成功並非理所當然；CAL 將通常填滿整個實驗室的裝置放入洗碗機大小的空間中。
這些只是該實驗室的首批成果。莫斯曼是一個團隊的成員，該團隊正在使用 CAL 來建立 Efimov 態，即以三為一組結合但不以二為一組結合並且長期以來一直讓物理學家著迷的粒子組。
其他團隊也已開始進行實驗，以創造僅在國際空間站環境中才可能發生的現象。例如，蘭納特的團隊已開始生產 30 微米寬的凝聚態氣泡。在地球引力下，這些氣泡會聚集形成碗狀或煎餅狀。她說，氣泡的特徵——薄且無邊——意味著它們應該產生漩渦，即渦流，具有新穎的行為。“除非消除重力，否則這種形狀是不可能的。到目前為止，就陷阱按我們期望的方式工作而言，情況看起來非常好。”
太空中的“心臟手術”
作為國際空間站有史以來最複雜的實驗，該設施在 1 月份進行了令人難以置信的升級。在八天的時間裡，NASA 宇航員克里斯蒂娜·科赫和傑西卡·梅爾安裝了一個原子干涉儀，烏德里裡將這一過程比作在太空進行心臟手術。干涉儀將原子雲分裂成兩種量子態——每個原子實際上同時存在於兩個地方——然後在它們重新結合之前產生干涉圖案。這種圖案充當凝聚態周圍力的靈敏量規，物理學家可以用它來測試自然基本定律或尋找暗能量。烏德里裡說，五月份的測試——當時冠狀病毒封鎖意味著遠端操作的 CAL 是美國唯一可執行的冷原子實驗室——表明原子干涉儀按計劃工作。
蘭納特說，CAL 的緊湊性意味著其能力必須做出妥協，並且它並非對每個實驗都是理想的選擇，因為它滿足多個專案的需求。“但權衡是完全值得的，”她補充道。它還允許沒有自己大型實驗室的物理學家進行這些實驗。“我們在一家小型文理學院，能夠在這臺機器上獲取資料真是太令人興奮了。”
本文經許可轉載，並於 2020 年 6 月 11 日首次發表。