量子自由落体:实验人员将玻色-爱因斯坦凝聚态物质从40层楼高的竖井中落下

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点。


可以称之为爱因斯坦与爱因斯坦的相遇。一项使用阿尔伯特·爱因斯坦预言存在的一种物质的新实验,或许有一天能为精细尺度检验广义相对论铺平道路,这是这位著名物理学家极为成功的引力理论。

在6月18日出版的《科学》杂志上发表的一篇论文中,一群欧洲研究人员报告创造了一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚态的物质,然后将其从120米深的竖井中落下,以观察其在自由落体中的演变。在玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)中,一团超冷原子都占据相同的量子态,表现得像一个超大尺寸的量子粒子。(凝聚态是以印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色共同命名的,他和爱因斯坦在20世纪20年代提出了它们的存在理论,尽管直到1995年,通过埃里克·康奈尔、沃尔夫冈·凯特勒和卡尔·威曼的诺贝尔奖获奖实验,才观察到这种原子气体BEC。)


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研究人员将铷原子气体冷却到绝对零度以上九十亿分之一度,以产生玻色-爱因斯坦凝聚态,然后让实验舱在德国不莱梅大学为微重力研究建造的落塔内的竖井中落下。目的是使量子物体处于自由落体状态,以观察它在约一秒钟的失重状态下自由膨胀。(自由落体的第一部分用于控制实验舱中的残余振动;在落塔底部,一个八米深的聚苯乙烯球堆会缓冲实验舱的下落。)研究人员报告称,这种BEC演化的时间尺度在传统的实验室装置中很难实现,在传统装置中,重力会优先向一个方向拉动原子。

该实验可能为在太空失重环境中进行BEC实验奠定基础,在太空中,凝聚态物质的量子波性质可能被用来制造超灵敏的物质干涉仪,就像原子已经被用于这类装置来探测微小的物理效应一样。在光学领域,干涉测量通常依赖于激光;BECs经常被比作激光,因为它们都代表了量子物体的相干集合——激光是光子,BECs是原子。基于BEC的干涉仪有一天可能会进入轨道,以探测广义相对论预测的时空曲率的复杂性,并可能揭示量子力学和引力之间的界面。

不莱梅落塔照片:ZARM/FAB - 落塔运营/服务公司mbH/不莱梅大学

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