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科学家利用国际空间站制备第五种物质状态

发布时间:2020-06-12 发布者:亚洲时报

提到物质状态,我们一般熟知的就是固态、液态和气态,这也是中学物理课本上提到的三种状态。然而在学界可不止三种物质状态,早在1879年,科学家们就发现了带负电的电子和带正电的离子共存的等离子态。到了1924年,爱因斯坦预言当一团原子冷却到接近绝对零度时,就会出现第五种物质状态——玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate)。


(图源:光明网) 


然而玻色-爱因斯坦凝聚直到1995年才被美国科学家制备成功,往后便一直成为研究量子力学的重要实验室工具。因为制备条件苛刻,一直以来都无法让第五种物质状态的存在时间延长些许。

 

不过自从人们上了太空以后,对于研究的思路就得到了扩展,逐渐把目光放在太空环境上,这次也不例外。6月11日,根据发表在《自然》杂志上的一篇论文,美国加州理工学院(Caltech)一个团队成功把玻色-爱因斯坦凝聚态搬上了国际空间站。太空中的微重力环境使第五种物质状态的奇异性得以更充分地展现。

 

其奇异性是指,在量子力学的视角下,每个单个粒子都具有波粒二象性,可以被描述为一种物质波;但当一团原子冷却到接近绝对零度时,它们都回落入最低的能量态上,宛如一个整体。也就是说,这种状态下的物质既是整体又是群体。

 

因此,这团原子云横跨了由量子力学支配的微观世界和经典物理支配的宏观世界,为科学家们洞察物理学的基本性质提供桥梁。但是在地面实验时,又会受到重力干扰而无法对其进行精确测量。

 

来自美国加州理工学院,同时是喷气推进实验室(JPL)项目科学家的罗伯特·汤普森(Robert Thompson)及同事发现,如果在微重力条件下制备玻色-爱因斯坦凝聚,效果比在地表重力环境下好很多,也更好操作。

 

早在2018年,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。实验发现在仅比绝对零度高100纳开尔文的状态下,铷原子呈现玻色-爱因斯坦凝聚态。不过当时处于调试阶段,未正式开启。

 

现在,他们通过对设备体积、重量、能效和可靠性的提升,将一个原子实验室送上国际空间站。研究人员发现,在其中制备的玻色-爱因斯坦凝聚,原子团盘旋并能被测量的时长超过了1秒,而在地面上制备出来的玻色-爱因斯坦凝聚只能维持几十毫秒。这样一来,测量的精确度得以提高。

 

另外,在微重力条件下,原子能被较弱的力捕捉,从而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。

 

德国莱布尼兹大学的Maike Lachmann在同期《自然》杂志中表示,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,也为未来执行更加宏大的任务铺平了道路。

 

责任编辑:Carrick

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