英國《自然》雜志10日發(fā)表一篇量子物理研究，加州理工學(xué)院科學(xué)家團(tuán)隊(duì)報(bào)告成功在國際空間站上產(chǎn)生第五種物質(zhì)狀態(tài)——玻色-愛因斯坦凝聚，并測(cè)量了相關(guān)特性。太空中的微重力環(huán)境，讓人類得以在這種奇異物質(zhì)狀態(tài)中探索基礎(chǔ)物理學(xué)，同時(shí)為未來人類在太空?qǐng)?zhí)行更宏大的任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

玻色-愛因斯坦凝聚是玻色子原子在冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)所呈現(xiàn)出的一種物質(zhì)狀態(tài)。在這樣的低溫下，原子成為具有量子特性的單一實(shí)體。玻色-愛因斯坦凝聚橫跨量子力學(xué)支配的微觀世界和經(jīng)典物理支配的宏觀世界，因此有望提供關(guān)于量子力學(xué)的基本洞察，但是受重力作用影響，難以對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。

美國加州理工學(xué)院科學(xué)家羅伯特·湯普森及其同事為了克服這些限制，在國際空間站上啟動(dòng)并成功運(yùn)行冷原子實(shí)驗(yàn)室。他們描述了在微重力條件下制備的玻色-愛因斯坦凝聚，并測(cè)量了它們與在地球上觀測(cè)到的玻色-愛因斯坦凝聚之間的特性差異。

例如，前者的自由膨脹時(shí)間(在關(guān)閉陷阱后，原子盤旋并能被測(cè)量的時(shí)長)超過了1秒，而后者一般只有幾十毫秒。可觀測(cè)時(shí)間的延長，可以提高測(cè)量的精準(zhǔn)度。此外，在微重力條件下，原子能被較弱的力捕捉，從而有可能達(dá)到較低的溫度，此時(shí)奇異的量子效應(yīng)就會(huì)變得愈加明顯。

2018年7月，美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開始利用冷原子實(shí)驗(yàn)室，嘗試在國際空間站上制造極端低溫。在僅比絕對(duì)零度高100納開爾文的狀態(tài)下，銣原子呈現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，不過當(dāng)時(shí)冷原子實(shí)驗(yàn)室尚處于調(diào)試階段，未正式開啟科研。

現(xiàn)在最新的結(jié)果表明，太空實(shí)驗(yàn)室有益于未來研究超冷原子氣體。“在太空中成功制備出玻色-愛因斯坦凝聚，為研究量子氣體和原子干涉創(chuàng)造了新機(jī)會(huì)，也為未來更加宏大的任務(wù)鋪平了道路。”德國漢諾威萊布尼茲大學(xué)麥卡·盧切曼在相應(yīng)的新聞與觀點(diǎn)文章中寫道。(記者張夢(mèng)然)

總編輯圈點(diǎn)

從2018年至今，空間站的冷原子實(shí)驗(yàn)室得到了人們的持續(xù)關(guān)注——它是同類產(chǎn)品中第一個(gè)安裝在太空中的系統(tǒng)，也是最冷和最緊湊的設(shè)備。科學(xué)家付出了巨大努力去克服在空間站上運(yùn)行這一復(fù)雜設(shè)施所面臨的障礙，終于使它拿出了正式投入使用后的成果。在人類迄今打造的最寒冷的地方，科學(xué)家們可以觀察到難以獲得的物質(zhì)第五態(tài)，它存留時(shí)間更長，為人們贏得了更多的研究時(shí)間，進(jìn)而可在微重力環(huán)境下探索量子物理中長期懸而未決的問題，并最終將成果延伸到芯片、納米、精密測(cè)量等等領(lǐng)域。