让原子“留步”！宇航员首次在国际空间站创造了物质“第五态”

 

据报道，近日国际空间站上的宇航员创造了一种罕见的物质状态——一种在地球上不能长时间存在的状态。

发表在《自然》杂志上的一项新研究表明，科学家们利用一个名为冷原子实验室(CAL)的小型设备制造了罕见的玻色-爱因斯坦凝聚态(BECs)，也被称为物质的第五态。

CAL能够将真空中的原子冷却到绝对零度以上100亿分之一的温度——比星际空间的温度还要低。

这就是为什么CAL——该设备仅有床头柜大小——被认为是已知宇宙中最冷的地方之一。

当一组原子的温度几乎达到零时，BECs就出现了。这些原子的气态云会集体行动，而不是单独行动。

早在95年前，阿尔伯特·爱因斯坦和印度数学家、物理学家萨蒂扬德拉·纳特·博斯就预言了这种物质的存在，但直到1995年才在实验室中被观测到。

这一概念表示，当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时，所有的原子就像一个原子一样，具有完全相同的物理性质。

第一批实现BEC的几个研究小组分别来自美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所、美国莱斯大学、麻省理工学院(MIT)，他们分别独立宣告在实验上观察到了玻色-爱因斯坦凝聚现象。

目前，全世界已经有数十个实验室实现了9种元素的BEC。主要是碱金属，还有氦原子，铬原子和镱原子等。

在太空中制造BECs之所以至关重要，是因为在地球上，引力将它们拉向地面，使它们在几分之一秒内消失。

然而，在微重力空间中创建BECs时，BECs的寿命更长——原子会变慢，它们的波长会对齐，这使得我们可以更长时间地研究它们。

该研究的主要作者、美国宇航局喷气推进实验室的科学家大卫·阿夫琳(David Aveline)表示:“人们很早就认识到微重力迟早会派上用场，进入太空会在测量时间方面给我们带来很多好处。”

过去，科学家们已经在地球上进行了一些相当基本的测试来实现微重力——包括在不来梅大学的应用空间技术和微重力中心使用一个特制的塔，研究人员从高处扔下物体来模拟微重力状态。

参与实验的Maike Lachmann说，有了CAL, BECs的生成速度“惊人地快”。

这是因为有了CAL，“你不需要冷却大的物体，只是一个微小的原子云，”意味着整个过程大约需要两秒钟。

CAL实验的成功标志着BECs成为超灵敏仪器基础的第一步，这些仪器可以探测到来自我们宇宙中最未知的方面的最微弱的信号，比如引力波和暗能量。

Aveline表示，BECs有更多的实际应用，“从加速度计、地震检波器到陀螺仪。”

太空中的冷原子实验室

一个多世纪以来，追求过冷温度已经成为物理学的一个重要主题。有了低温条件，科学界出现了不少重要突破：如超流态和超导的发现，激光冷却技术的发展，超流费米气体等。

除了对这些现象的科学方面的极大兴趣之外，这些进展也成为一些重要设备的核心，这些设备包括超导量子干涉设备(SQUIDS)、激光冷却原子钟和基于原子干涉计的传感器，如用于全球重力测绘的重力梯度仪。

2011年NRC的十年调查报告建议了一系列的基础物理学的高度优先领域，包括与物理学和量子气体的应用相关的研究。

冷原子实验室(CAL)是一个多用户设施，旨在研究国际空间站(ISS)微重力环境下的超冷量子气体。

该设施的主要目标之一将是探索以前难以达到的极低温状态，在那里可以期待有趣和新奇的量子现象。

冷原子实验室(CAL)是一个在国际空间站(ISS)上运行的基础物理用户设施。研究人员能够在没有宇航员协助的情况下远程进行实验，每天有多达6.5小时的实验时间。

2018年5月21日，CAL在美国宇航局维吉尼亚州的瓦勒普斯飞行中心搭乘一艘轨道ATK天鹅座飞船，搭载安塔尔火箭成功发射到国际空间站。

CAL是由NASA的喷气推进实验室设计和建造的，代表NASA的空间生命和物理科学研究和应用(SLPSRA)部门，国际空间站项目办公室也为CAL的发展提供了资金。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

https://www.rt.com/news/491516-iss-astronauts-create-fifth-state-of-matter/

https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/

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