氣態(tài)銣原子的速度分布數(shù)據(jù)，證實了1995年發(fā)現(xiàn)的玻色-愛因斯坦凝聚
科技訊 北京時間6月15日消息，據(jù)國外媒體報道，在一項新研究中，科學家在國際空間站獨特的微重力環(huán)境下制造了一種新奇的物質狀態(tài)，并以此來探索量子世界。
在日常生活中，物質通常呈現(xiàn)為4種狀態(tài)，分別是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和等離子態(tài)。然而，物質還有第5種狀態(tài)——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（Bose-Einstein condensates，簡稱BECs）。這是由愛因斯坦與薩特延德拉·納特·玻色在1924年預測，并由沃爾夫岡·克特勒、埃里克·康奈爾及卡爾·威曼所領導的團隊，在1995年首先通過實驗制造出來的物質狀態(tài)。當一組原子冷卻到接近絕對零度時，原子開始聚集在一起，表現(xiàn)得如同一個巨大的“超級原子”。這是一種氣態(tài)的、超流性（完全缺乏黏性）的物質狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài)，形成一個宏觀的量子狀態(tài)。
玻色-愛因斯坦凝聚橫跨由經典物理控制的日常世界與遵循量子力學規(guī)則的微觀世界。在量子力學的世界里，一個粒子可以表現(xiàn)得好像它同時朝兩個相反的方向旋轉，或者在兩個或更多的地方同時存在。由于玻色-愛因斯坦凝聚體遵循著某些量子行為，因此有望為科學家提供量子力學基本原理的關鍵線索，甚至有可能為建立“萬物理論”提供幫助，從而解釋宇宙在最小到最大的尺度上是如何運行的。
現(xiàn)在，在世界各地的數(shù)百個實驗室中，科學家已經可以常規(guī)地制造出玻色-愛因斯坦凝聚。然而，阻礙這項研究的限制之一是地球的重力。這些“超級原子”極其脆弱，制造它們的裝置也極其精細，因此地球上的重力可能會把它們都破壞掉，從而很難對其進行深入了解。
于是，研究人員在國際空間站開發(fā)并成功運行了冷原子實驗室，可以微重力條件下產生玻色-愛因斯坦凝聚。該實驗室于2018年發(fā)射，體積很小，所需的能量相對較少，因此滿足了空間站的特定限制條件。在地球上，制造玻色-愛因斯坦凝聚所需的設備可以占據(jù)整個實驗室，但冷原子實驗室的體積只有約。4立方米，平均需要510瓦的電力。
在這項新研究中，研究人員通過冷原子實驗室發(fā)現(xiàn)，微重力條件下玻色-愛因斯坦凝聚的自由膨脹時間超過了1秒，使可觀測時間大為延長，并提高了測量的精確度。相比之下，在地球上，科學家只有幾十毫秒的時間來完成同樣的任務。此外，在微重力條件下，科學家可以用更弱的力來捕獲凝聚物；這反過來意味著可以在更低的溫度下產生玻色-愛因斯坦凝聚，此時奇特的量子效應會變得更加明顯。
到目前為止，研究人員已經利用銣原子制造了玻色-愛因斯坦凝聚物。該研究的資深作者、美國加州理工學院的物理學家羅伯特·湯普森（Robert Thompson）表示，他們最終打算加入鉀原子，來研究當兩種凝聚態(tài)混合時會發(fā)生什么。此外，研究人員還試圖利用冷原子實驗室制造出球形的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，這種形態(tài)只有在太空中才能出現(xiàn)。
“過去，我們對大自然內部運行機制的主要見解來自粒子加速器和天文臺；在未來，我相信對冷原子進行精確的測量將發(fā)揮越來越重要的作用，”湯普森補充道。他們的詳細研究結果發(fā)表在6月11日出版的《自然》（Nature）雜志上。
什么是玻色-愛因斯坦凝聚？
玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）被稱為物質的第五態(tài)，而前四種分別是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)。這種狀態(tài)是在接近絕對零度的低溫下形成的，而且只在表現(xiàn)得像玻色子的原子中形成。
玻色子是兩種基本粒子中的一種。當玻色子原子冷卻形成凝聚態(tài)時，它們會失去自己的特性，其行為就像一個巨大的超級原子集團，有點像在激光束中變得難以分辨的光子。1995年6月5日，美國科羅拉多大學博爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼通過實驗制造出了第一個玻色-愛因斯坦凝聚。四個月后，麻省理工學院的沃爾夫岡·克特勒使用鈉-23獨立獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。2001年，康奈爾、威曼和克特勒分享了諾貝爾物理學獎。
雖然玻色-愛因斯坦凝聚很難理解也很難制作，但它們具有許多非常有趣的特性。比如，它們可以達到異常高的光學密度差。一般來說，凝聚體的折射系數(shù)非常小，因為其密度比平常的固體要小得多。但使用激光可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態(tài)，使其對一定的頻率的折射系數(shù)驟增。由此光速在凝聚內的速度就會驟降，甚至降到數(shù)米每秒。
自轉的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射光不會逃離。玻色-愛因斯坦凝聚也可以用來“凍結”光，這些被“凍結”的光在凝聚分解時又會被釋放出來。（任天）
