量子物理學家即將擁有自己在太空中的遊樂場。美國宇航局的冷原子實驗室計劃於5月20日發射到國際空間站，它將成為已知宇宙中最冷的地方。研究人員將使用該實驗室來探測地球上無法觀察到的量子現象。
這項耗資8300萬美元的任務將透過製造一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態 (BEC) 的物質狀態，來研究宏觀尺度的量子力學。這些是由數十萬個原子組成的雲團，當冷卻到略高於絕對零度時，它們會像波一樣同步成一個單一的量子物體。“僅僅能夠在太空中進行這些實驗，我認為就是一個巨大的成就，”位於加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室 (JPL) 的任務經理卡邁勒·奧德里裡 (Kamal Oudrhiri) 說。
在地球上，引力通常會在幾秒鐘內分散這些凝聚態。BEC 最接近太空條件的時刻是在研究火箭中的短暫停留，或者在從跌落塔中墜落9秒鐘。但是，漂浮在空間站上，它們應該能夠存在至少10秒鐘。這足以讓它們冷卻到創紀錄的低溫——可能低至絕對零度以上 20 萬億分之一度。奧德里裡說，這將是宇宙中已知的最低溫度。更冷和更持久的凝聚態將“推動研究基礎物理學的前沿”，美國國家標準與技術研究所（位於馬里蘭州蓋瑟斯堡）的原子物理學家格雷琴·坎貝爾 (Gretchen Campbell) 說。“這是人們希望了將近 15 年的事情。”
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小型化套件
空間站上的空間非常寶貴，因此工程師們不得不將通常需要佔用一個大房間的原子物理裝置縮小到一個冷藏箱大小的箱子中。該裝置將透過向各個方向散射雷射，使粒子減速至幾乎靜止，從而冷卻銣和鉀原子。然後它將使用磁場來捕獲雲團。為了建立凝聚態，使用了其他冷卻技術來進一步將雲團推向絕對零度——包括使用射頻波“刀”去除能量最高的原子，並擴大陷阱以讓雲團膨脹。
工程師們還必須設計遮蔽層，以保護脆弱的凝聚態免受密集封裝的元件和地球變化的磁場的干擾。儘管宇航員將拆開並安裝裝置，但實驗只會在團隊睡覺時進行，以最大程度地減少任何運動造成的干擾。
在實驗室的更復雜版本出現洩漏，影響真空室並威脅到延遲該專案之後，這項技術比最初的計劃要簡單得多。因此，物理學家們還無法實現他們進行太空原子干涉測量的最終目標——這個過程包括將凝聚態的量子波一分為二，然後重新組合這些波。由此產生的干涉圖案將使科學家能夠以精密的精度分析重力的影響，並測試凝聚態是否可以用作非常靈敏的旋轉和重力感測器。但是，噴氣推進實驗室該任務的專案科學家羅伯特·湯普森 (Robert Thompson) 說，更先進的套件應該會在 2019 年底之前到達。
氣泡、環和漩渦
湯普森說，目前的迭代仍然可以實現新的物理學研究。五個團隊計劃在該實驗室進行實驗；其中一個計劃使用無線電波和磁場將凝聚態捕獲在一個直徑約為 30 微米的氣泡形狀中——大約是人頭髮寬度的一半。量子力學表明，由於氣泡既薄又無邊緣，凝聚態的行為應該與地球上呈圓盤狀或球形時不同。例如，它可能更容易形成被稱為漩渦的渦流，位於馬薩諸塞州北安普頓的史密斯學院的理論物理學家考特尼·蘭納特 (Courtney Lannert) 說。在地球上，嘗試建立氣泡總是會以流體掉落的碗狀結束。“除非我們能擺脫重力，否則我們根本無法獲得這種形狀，”她說。
科羅拉多大學博爾德分校的埃裡克·康奈爾 (Eric Cornell) 領導的一個小組，他因共同發現 BEC 而獲得了2001 年的諾貝爾物理學獎，將嘗試建立稱為埃菲莫夫態的奇異鬆散束縛系統。這些量子態以俄羅斯理論物理學家維塔利·埃菲莫夫 (Vitaly Efimov) 的名字命名，他於 1970 年提出了它們的存在，當原子結合力太弱而無法成對結合時，它們就會出現，但可以形成三人組。這些類似於 Borromean 環——環的連線方式是如果移除任何一個環，系統就會瓦解——並且核物理學家對它們很感興趣，因為它們與由中子和質子組成的罕見且瞭解甚少的三粒子核有相似之處。該團隊希望建立最簡單的埃菲莫夫態，以及激發態，膨脹版本，其中原子彼此結合，儘管它們相隔一個細菌的寬度。華盛頓州立大學普爾曼分校的物理學家馬倫·莫斯曼 (Maren Mossman) 說，該小組或許還可以製造出這種原子的四人組，稱為四聚體。
莫斯曼說，對於原子物理學家來說，空間站的設定因更多實際原因而變得非凡。他們習慣於自己製造裝置並隨時調整實驗。但是，有了冷原子實驗室，許多人第一次共享一個設施，莫斯曼說，他們必須透過地面操作該設施的噴氣推進實驗室的研究人員進行實驗。“粒子物理學領域的人從一開始就一直在這樣做。但這對於我們原子物理學領域的人來說太奇怪了，”她說。
湯普森說，這個過程的進展“比我們大多數人預期的要好”，自 1997 年加入噴氣推進實驗室以來，他一直在努力建立一個這樣的設施。他認為目前的版本是朝著太空中更復雜的原子物理實驗室邁出的一步。他說，美國宇航局正在與德國航空航天中心 (DLR) 合作，建立一個名為 BECCAL（玻色-愛因斯坦凝聚態和冷原子實驗室）的設施。空間站上的許多實驗已經測試了低重力的影響，但對於大多數實驗來說，極端的微重力是“過度的”，湯普森補充道。“我們是真正突出空間站能夠做什麼的實驗之一。”
本文經許可轉載，並於 2018 年 5 月 8 日首次發表。