為研究量子氣體和原子干涉創(chuàng )造新機會(huì )

英國《自然》雜志10日發(fā)表一篇量子物理研究，加州理工學(xué)院科學(xué)家團隊報告成功在國際空間站上產(chǎn)生第五種物質(zhì)狀態(tài)——玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，并測量了相關(guān)特性。太空中的微重力環(huán)境，讓人類(lèi)得以在這種奇異物質(zhì)狀態(tài)中探索基礎物理學(xué)，同時(shí)為未來(lái)人類(lèi)在太空執行更宏大的任務(wù)奠定了基礎。

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時(shí)所呈現出的一種物質(zhì)狀態(tài)。在這樣的低溫下，原子成為具有量子特性的單一實(shí)體。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚橫跨量子力學(xué)支配的微觀(guān)世界和經(jīng)典物理支配的宏觀(guān)世界，因此有望提供關(guān)于量子力學(xué)的基本洞察，但是受重力作用影響，難以對其進(jìn)行精準測量。

美國加州理工學(xué)院科學(xué)家羅伯特·湯普森及其同事為了克服這些限制，在國際空間站上啟動(dòng)并成功運行冷原子實(shí)驗室。他們描述了在微重力條件下制備的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，并測量了它們與在地球上觀(guān)測到的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚之間的特性差異。

例如，前者的自由膨脹時(shí)間（在關(guān)閉陷阱后，原子盤(pán)旋并能被測量的時(shí)長(cháng)）超過(guò)了1秒，而后者一般只有幾十毫秒?？捎^(guān)測時(shí)間的延長(cháng)，可以提高測量的精準度。此外，在微重力條件下，原子能被較弱的力捕捉，從而有可能達到較低的溫度，此時(shí)奇異的量子效應就會(huì )變得愈加明顯。

2018年7月，美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗室開(kāi)始利用冷原子實(shí)驗室，嘗試在國際空間站上制造極端低溫。在僅比絕對零度高100納開(kāi)爾文的狀態(tài)下，銣原子呈現玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，不過(guò)當時(shí)冷原子實(shí)驗室尚處于調試階段，未正式開(kāi)啟科研。

現在最新的結果表明，太空實(shí)驗室有益于未來(lái)研究超冷原子氣體。“在太空中成功制備出玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，為研究量子氣體和原子干涉創(chuàng )造了新機會(huì )，也為未來(lái)更加宏大的任務(wù)鋪平了道路。”德國漢諾威萊布尼茲大學(xué)麥卡·盧切曼在相應的新聞與觀(guān)點(diǎn)文章中寫(xiě)道。