量子自由落體:實驗人員將玻色-愛因斯坦凝聚態物質從40層樓高的豎井中落下

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可以稱之為愛因斯坦與愛因斯坦的相遇。一項使用阿爾伯特·愛因斯坦預言存在的一種物質的新實驗,或許有一天能為精細尺度檢驗廣義相對論鋪平道路,這是這位著名物理學家極為成功的引力理論。

在6月18日出版的《科學》雜誌上發表的一篇論文中,一群歐洲研究人員報告創造了一種叫做玻色-愛因斯坦凝聚態的物質,然後將其從120米深的豎井中落下,以觀察其在自由落體中的演變。在玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)中,一團超冷原子都佔據相同的量子態,表現得像一個超大尺寸的量子粒子。(凝聚態是以印度物理學家薩特延德拉·納特·玻色共同命名的,他和愛因斯坦在20世紀20年代提出了它們的存在理論,儘管直到1995年,透過埃裡克·康奈爾、沃爾夫岡·凱特勒和卡爾·威曼的諾貝爾獎獲獎實驗,才觀察到這種原子氣體BEC。)


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研究人員將銣原子氣體冷卻到絕對零度以上九十億分之一度,以產生玻色-愛因斯坦凝聚態,然後讓實驗艙在德國不萊梅大學為微重力研究建造的落塔內的豎井中落下。目的是使量子物體處於自由落體狀態,以觀察它在約一秒鐘的失重狀態下自由膨脹。(自由落體的第一部分用於控制實驗艙中的殘餘振動;在落塔底部,一個八米深的聚苯乙烯球堆會緩衝實驗艙的下落。)研究人員報告稱,這種BEC演化的時間尺度在傳統的實驗室裝置中很難實現,在傳統裝置中,重力會優先向一個方向拉動原子。

該實驗可能為在太空失重環境中進行BEC實驗奠定基礎,在太空中,凝聚態物質的量子波性質可能被用來製造超靈敏的物質干涉儀,就像原子已經被用於這類裝置來探測微小的物理效應一樣。在光學領域,干涉測量通常依賴於雷射;BECs經常被比作雷射,因為它們都代表了量子物體的相干集合——雷射是光子,BECs是原子。基於BEC的干涉儀有一天可能會進入軌道,以探測廣義相對論預測的時空曲率的複雜性,並可能揭示量子力學和引力之間的介面。

不萊梅落塔照片:ZARM/FAB - 落塔運營/服務公司mbH/不萊梅大學

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