25 年来，物理学家们利用超冷原子制成的奇异物质状态来探测宏观尺度上的量子行为。现在，他们可以在太空中做到这一点。
这项壮举——玻色-爱因斯坦凝聚态的创造——来自 NASA 耗资 1 亿美元 冷原子实验室背后的物理学家，该实验室于 2018 年 6 月在国际空间站开始运行。结果证明了原理，表明该实验室可以成功利用太空的微重力，从而使科学家能够创造在地球上不可能实现的现象。该设施有望成为已知宇宙中最冷的地方。
“我认为这真是一项了不起的成就，”马萨诸塞州北安普顿市史密斯学院的理论物理学家考特尼·兰纳特说。这些发现发表在1 6 月 11 日的《自然》杂志上。
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奇异行为
玻色-爱因斯坦凝聚态于 1995 年首次创建，当原子云被冷却到略高于绝对零度时形成。玻色-爱因斯坦凝聚态 在这个温度下，粒子的波动量子性质占主导地位，它们聚结成一个单一的宏观量子物体，物理学家可以用它来研究奇异行为。
在地球上，重力限制了对这些原子云的研究，因为它们会迅速分散，除非用强磁场抵消重力的影响。但在微重力环境下，凝聚态持续时间更长，从而可以进行更精确的研究。并且由于可以在太空中使用用于原子的弱磁“阱”，物理学家可以将它们冷却到更低的温度，部分是通过利用一种通过允许凝聚态膨胀来冷却凝聚态的技术。“大多数量子物理学家会说冷原子实验很酷，但要让它们更冷，你必须把它们带到太空，”加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室的 CAL 任务经理卡迈勒·乌德里里说。
研究人员使用 CAL 的精密激光器和高真空来产生凝聚态，其寿命超过一秒，温度高于绝对零度 200 万亿分之一度，与地球上一些最成功的实验相当。乌德里里说，在未来的实验中，该团队计划降至创纪录的 20 万亿分之一度，并创造持续 5 秒的凝聚态。这将使其成为已知宇宙中最冷的地方。
洗碗机大小的实验室
凝聚态并不是第一个在太空产生的。在暂时跨越太空屏障的火箭以及地球上的落塔上进行的实验已经表明了这种物质状态在微重力下的行为方式。但华盛顿州立大学普尔曼分校的物理学家马伦·莫斯曼说，CAL 是同类实验室中第一个永久存在于这种环境中的实验室，并且可能只是首批空间冷原子实验室中的第一个。她说，它的成功并非理所当然；CAL 将通常填满整个实验室的设备放入洗碗机大小的空间中。
这些只是该实验室的首批成果。莫斯曼是一个团队的成员，该团队正在使用 CAL 来创建 Efimov 态，即以三为一组结合但不以二为一组结合并且长期以来一直让物理学家着迷的粒子组。
其他团队也已开始进行实验，以创造仅在国际空间站环境中才可能发生的现象。例如，兰纳特的团队已开始生产 30 微米宽的凝聚态气泡。在地球引力下，这些气泡会聚集形成碗状或煎饼状。她说，气泡的特征——薄且无边——意味着它们应该产生漩涡，即涡流，具有新颖的行为。“除非消除重力，否则这种形状是不可能的。到目前为止，就陷阱按我们期望的方式工作而言，情况看起来非常好。”
太空中的“心脏手术”
作为国际空间站有史以来最复杂的实验，该设施在 1 月份进行了令人难以置信的升级。在八天的时间里，NASA 宇航员克里斯蒂娜·科赫和杰西卡·梅尔安装了一个原子干涉仪，乌德里里将这一过程比作在太空进行心脏手术。干涉仪将原子云分裂成两种量子态——每个原子实际上同时存在于两个地方——然后在它们重新结合之前产生干涉图案。这种图案充当凝聚态周围力的灵敏量规，物理学家可以用它来测试自然基本定律或寻找暗能量。乌德里里说，五月份的测试——当时冠状病毒封锁意味着远程操作的 CAL 是美国唯一可运行的冷原子实验室——表明原子干涉仪按计划工作。
兰纳特说，CAL 的紧凑性意味着其能力必须做出妥协，并且它并非对每个实验都是理想的选择，因为它满足多个项目的需求。“但权衡是完全值得的，”她补充道。它还允许没有自己大型实验室的物理学家进行这些实验。“我们在一家小型文理学院，能够在这台机器上获取数据真是太令人兴奋了。”
本文经许可转载，并于 2020 年 6 月 11 日首次发表。