国际空间站创造出新奇物质第五态:探索量子世界
2020-06-15 15:49:34
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来源:新浪科技

气态铷原子的速度分布数据,证实了1995年发现的玻色-爱因斯坦凝聚

气态铷原子的速度分布数据,证实了1995年发现的玻色-爱因斯坦凝聚

  新浪科技讯 北京时间6月15日消息,据国外媒体报道,在一项新研究中,科学家在国际空间站独特的微重力环境下制造了一种新奇的物质状态,并以此来探索量子世界。

  在日常生活中,物质通常呈现为4种状态,分别是气态、液态、固态和等离子态。然而,物质还有第5种状态——玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensates,简称BECs)。这是由爱因斯坦与萨特延德拉·纳特·玻色在1924年预测,并由沃尔夫冈·克特勒、埃里克·康奈尔及卡尔·威曼所领导的团队,在1995年首先通过实验制造出来的物质状态。当一组原子冷却到接近绝对零度时,原子开始聚集在一起,表现得如同一个巨大的“超级原子”。这是一种气态的、超流性(完全缺乏黏性)的物质状态,在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。

  玻色-爱因斯坦凝聚横跨由经典物理控制的日常世界与遵循量子力学规则的微观世界。在量子力学的世界里,一个粒子可以表现得好像它同时朝两个相反的方向旋转,或者在两个或更多的地方同时存在。由于玻色-爱因斯坦凝聚体遵循着某些量子行为,因此有望为科学家提供量子力学基本原理的关键线索,甚至有可能为建立“万物理论”提供帮助,从而解释宇宙在最小到最大的尺度上是如何运行的。

  现在,在世界各地的数百个实验室中,科学家已经可以常规地制造出玻色-爱因斯坦凝聚。然而,阻碍这项研究的限制之一是地球的重力。这些“超级原子”极其脆弱,制造它们的装置也极其精细,因此地球上的重力可能会把它们都破坏掉,从而很难对其进行深入了解。

  于是,研究人员在国际空间站开发并成功运行了冷原子实验室,可以微重力条件下产生玻色-爱因斯坦凝聚。该实验室于2018年发射,体积很小,所需的能量相对较少,因此满足了空间站的特定限制条件。在地球上,制造玻色-爱因斯坦凝聚所需的设备可以占据整个实验室,但冷原子实验室的体积只有约。4立方米,平均需要510瓦的电力。

  在这项新研究中,研究人员通过冷原子实验室发现,微重力条件下玻色-爱因斯坦凝聚的自由膨胀时间超过了1秒,使可观测时间大为延长,并提高了测量的精确度。相比之下,在地球上,科学家只有几十毫秒的时间来完成同样的任务。此外,在微重力条件下,科学家可以用更弱的力来捕获凝聚物;这反过来意味着可以在更低的温度下产生玻色-爱因斯坦凝聚,此时奇特的量子效应会变得更加明显。

  到目前为止,研究人员已经利用铷原子制造了玻色-爱因斯坦凝聚物。该研究的资深作者、美国加州理工学院的物理学家罗伯特·汤普森(Robert Thompson)表示,他们最终打算加入钾原子,来研究当两种凝聚态混合时会发生什么。此外,研究人员还试图利用冷原子实验室制造出球形的玻色-爱因斯坦凝聚态,这种形态只有在太空中才能出现。

  “过去,我们对大自然内部运行机制的主要见解来自粒子加速器和天文台;在未来,我相信对冷原子进行精确的测量将发挥越来越重要的作用,”汤普森补充道。他们的详细研究结果发表在6月11日出版的《自然》(Nature)杂志上。

  什么是玻色-爱因斯坦凝聚?

  玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)被称为物质的第五态,而前四种分别是固态、液态、气态和等离子态。这种状态是在接近绝对零度的低温下形成的,而且只在表现得像玻色子的原子中形成。

  玻色子是两种基本粒子中的一种。当玻色子原子冷却形成凝聚态时,它们会失去自己的特性,其行为就像一个巨大的超级原子集团,有点像在激光束中变得难以分辨的光子。1995年6月5日,美国科罗拉多大学博尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼通过实验制造出了第一个玻色-爱因斯坦凝聚。四个月后,麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒使用钠-23独立获得了玻色-爱因斯坦凝聚。2001年,康奈尔、威曼和克特勒分享了诺贝尔物理学奖。

  虽然玻色-爱因斯坦凝聚很难理解也很难制作,但它们具有许多非常有趣的特性。比如,它们可以达到异常高的光学密度差。一般来说,凝聚体的折射系数非常小,因为其密度比平常的固体要小得多。但使用激光可以改变玻色-爱因斯坦凝聚的原子状态,使其对一定的频率的折射系数骤增。由此光速在凝聚内的速度就会骤降,甚至降到数米每秒。

  自转的玻色-爱因斯坦凝聚可以作为黑洞的模型,入射光不会逃离。玻色-爱因斯坦凝聚也可以用来“冻结”光,这些被“冻结”的光在凝聚分解时又会被释放出来。


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