量子物理學(xué)家即將在太空擁有自己的“游樂場”。據(jù)英國《自然》雜志官網(wǎng)5月8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實(shí)驗(yàn)室將于5月20日發(fā)射升空，進(jìn)入國際空間站。屆時(shí)，它將成為目前宇宙中最冷的地方，研究人員將用它探測在地球上無法觀察到的量子現(xiàn)象，如在太空制造“泡泡”“環(huán)”和“漩渦”等，從而以前所未有的方式“玩轉(zhuǎn)”量子力學(xué)。

        研究人員指出，這可能促使科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)，推進(jìn)前沿物理學(xué)的發(fā)展。

        宇宙間最冷之地：量子力學(xué)的“樂園”

        該實(shí)驗(yàn)室由NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）負(fù)責(zé)。研究人員稱，冷原子實(shí)驗(yàn)室耗資8300萬美元，主要目標(biāo)是制造出名為“玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）”的獨(dú)特“超流體”物質(zhì)態(tài)，供科學(xué)家研究宏觀尺度上的量子力學(xué)。

        BEC是數(shù)十萬個(gè)原子組成的云，當(dāng)被冷卻到絕對(duì)零度附近時(shí)，數(shù)十萬個(gè)原子的行動(dòng)保持同步，就像單一的量子物體一樣。該任務(wù)項(xiàng)目經(jīng)理、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的卡姆爾·奧德瑞自豪地表示：“能夠在太空進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)巨大的成就?！?/span>

        在地球上，一般情況下，重力在幾秒鐘之內(nèi)就會(huì)讓BEC分崩離析。但如果它們漂浮在國際空間站，應(yīng)該能“存活”至少10秒鐘。這一時(shí)間足夠讓它們被冷卻到創(chuàng)紀(jì)錄的低溫——可能只比絕對(duì)零度高20萬億分之一攝氏度。

        奧德瑞說，這是宇宙中已知最冷的溫度。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）原子物理學(xué)家格雷琴·坎貝爾說，更冷且更“長壽”的BEC將“推動(dòng)前沿基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的研究，15年來，科學(xué)家一直期盼會(huì)產(chǎn)生新的物理學(xué)?！?/span>

        麻雀雖小五臟俱全：工具包大小的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

        國際空間站可謂“寸土寸金”，所以工程師不得不壓縮原子物理設(shè)備的大小，將填滿一個(gè)大房間的設(shè)施壓縮到一個(gè)冷藏箱大小的箱子內(nèi)。該設(shè)備利用激光來冷卻銣和鉀原子，使它們幾乎停滯不動(dòng)；然后，用磁場捕捉原子云；最后，科學(xué)家將使用其他冷卻技術(shù)——包括無線電波“刀”來剝離能量最高的原子等，將原子云冷卻到更接近絕對(duì)零度的溫度，從而創(chuàng)造出BEC。

NASA冷原子實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，激光器和其他技術(shù)將原子冷卻到絕對(duì)零度附近。來源：英國《自然》雜志官網(wǎng)

        此外，工程師還必須設(shè)計(jì)屏蔽層，以保護(hù)脆弱的BEC免受密集組件和不斷變化的地球磁場的干擾。而且，實(shí)驗(yàn)只有在國際空間站上的科研人員睡覺之后才運(yùn)行，以盡量減少任何運(yùn)動(dòng)可能造成的干擾。

        該技術(shù)比最初設(shè)想的要簡單，因?yàn)楦鼜?fù)雜的實(shí)驗(yàn)室版本出現(xiàn)了問題，影響了真空室并且可能會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目延期，這導(dǎo)致物理學(xué)家暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)他們的最終目標(biāo)——執(zhí)行基于太空的原子干涉測量，這個(gè)過程會(huì)將BEC的量子波分成兩部分并重新組合，得到的干涉圖案讓科學(xué)家可以更精確地分析重力的影響，也能讓他們測試BEC是否可用作極為靈敏的旋轉(zhuǎn)和重力傳感器。

不過，該任務(wù)科學(xué)家、JPL的羅伯特·湯普森說，更高級(jí)的套件應(yīng)該會(huì)在2019年底到達(dá)國際空間站。

玩轉(zhuǎn)量子力學(xué)：氣泡、環(huán)和漩渦

        湯普森說，盡管裝備不足，但物理學(xué)家仍可就目前的情況發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)。屆時(shí)，將有5支研究團(tuán)隊(duì)使用這一實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用無線電波和磁場，讓BEC形成約30微米的氣泡形。根據(jù)量子力學(xué)，由于氣泡既纖薄又沒有邊緣，BEC的行為應(yīng)與地球上形成圓盤或球體時(shí)的行為迥然不同。

        冷原子實(shí)驗(yàn)室被用于研究處于國際空間站得微重力環(huán)境下的超冷的量子流體。來源：英國《自然》雜志官網(wǎng)

        史密斯學(xué)院理論物理學(xué)家科特尼蘭·內(nèi)特說，它可能更容易形成一種名為“渦流”的旋渦。在地球上，當(dāng)流體下落時(shí)，試圖產(chǎn)生氣泡的過程總是以碗形狀結(jié)束。她說：“除非我們能擺脫重力，否則我們根本無法獲得這種形狀。”

        科羅拉多大學(xué)的埃里克·康奈爾與他人共同發(fā)現(xiàn)BEC而榮獲2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，此次，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)將嘗試創(chuàng)造出被稱為“埃菲莫夫”（Efimov）態(tài)的奇異的松散結(jié)合系統(tǒng)。這一物質(zhì)形態(tài)以1970年提出其存在的俄羅斯理論物理學(xué)家維塔利·埃菲莫夫的名字命名，在原子結(jié)合力太弱而不能結(jié)成對(duì)，從而形成“三人組”的情況下，這些量子態(tài)會(huì)突然“現(xiàn)身”。這一結(jié)構(gòu)與著名的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)博羅米爾（Borromean）環(huán)類似。乍看上去，博羅米爾環(huán)是三個(gè)互鎖的環(huán)，但細(xì)看則不然：沒有兩個(gè)環(huán)是互鎖的。如果打斷任一個(gè)環(huán)，整個(gè)結(jié)構(gòu)就分開了。只有保持三個(gè)環(huán)都完整，這些環(huán)才能結(jié)合在一起。

        核物理學(xué)家對(duì)這一結(jié)構(gòu)非常感興趣，因?yàn)樗鼈兣c由中子和質(zhì)子構(gòu)成的罕見的三粒子核類似，而科學(xué)家目前對(duì)三粒子核知之甚少。

        康奈爾團(tuán)隊(duì)希望創(chuàng)造最簡單的埃菲莫夫態(tài)，以及其受激發(fā)的膨脹態(tài)。在受激發(fā)的埃菲莫夫態(tài)中，盡管原子間存在細(xì)菌大小的縫隙，但其彼此依附。華盛頓州立大學(xué)鉑爾曼分校的物理學(xué)家瑪倫·莫斯曼說，康奈爾團(tuán)隊(duì)也許能制造出由4個(gè)原子組成的此類結(jié)構(gòu)——所謂的四聚體（tetramer）。

        自1997年加入JPL，湯普森一直致力于創(chuàng)建這樣的太空實(shí)驗(yàn)室。他認(rèn)為，目前的實(shí)驗(yàn)室是向更復(fù)雜的太空原子物理實(shí)驗(yàn)室邁出的關(guān)鍵一步。NASA正與德國航空航天中心（DLR）攜手建造一個(gè)名為BECCAL（玻色-愛因斯坦冷凝體和冷原子實(shí)驗(yàn)室）的設(shè)施。

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