NASA创造出超低温“玻色-爱因斯坦凝聚态

  舞者同台起舞,动作一致时,妙不可言。当温度低到了极限,原子的运动也变得像同台起舞者那样同步,这种奇异的现象被称为“玻色-爱因斯坦凝聚态”。为了研究它,科研人员需要将原子冷冻到仅仅高于“绝对零度”的温度,原子的能量才能趋近最低,并接近绝对静止状态。

  据物理学家组织网10月21日(时间)报道,美国国家航空航天局(NASA)冷原子实验室(CAL)宣布,其团队在NASA喷气推进器研究室成功制造出玻色-爱因斯坦凝聚态,这对于在2016年底将首次亮相空间站的特殊仪器来说,是个关键性的突破。

  冷原子实验室的目标,是研究在特殊仪器中产生的超冷量子气体。科学家会在空间站用这种仪器探索在没有地心引力影响的微重力状态下,因超冷温度几乎静止、停留时间更长的原子之间如何相互作用。

  玻色-爱因斯坦凝聚态在1995年被观测到,成为有史以来最热门的物理话题之一。凝聚态仅在绝对零度之上百万分之一摄氏度的温度中形成。在的温度条件下,量子机制控制下的原子表现异常,开始聚结、交迭并逐步同步,形成物质的全新状态,比如同时表现出波和粒子两种状态。

  极端温度下对量子现象进行观察,能验证一些最重要的物理学基础定律。“冷原子实验室的地面测试平台是NASA喷气推进器实验室最冷的地方,达到了200纳开温度(1开尔文温度等于十亿纳开)。”该项目科学家罗博·汤普森说,虽然凝聚态在地球上很多地方都曾制造出来,但在空间站的微重力中,低至微微开(1开尔文等于1万亿微微开)的温度和长时间相干状态可能同时获得,并将创造出从未在中观察到的最冷物质。

  这项研究厉害之处在于,能在几秒之内就生成稳定的玻色-爱因斯坦凝聚态。冷原子实验室的研究人员用激光冷却一种化学成分为铷的原子,最终他们还会加入钾原子。除了生成凝聚态,该实验室还提供了配套工具,用几种不同的方法来操控和探测这些量子气体。

  这一丰富了我们发展精密量子探测器的知识。这类量子探测器可监测地球和其他星体的地心引力,或制造更先进的装备。“超冷原子同样会影响光频原子钟的发展,这种原子钟会成为未来的时间标准。”汤普森说,“NASA不仅用最先进的望远镜向外观察广袤的,也会在原子尺度上向内探索物理科学。”

  NASA科学家干的事情像微雕工匠,用最细的激光刀挪动原子;又像大厨,把物质拿到最冷的冰箱里,看能冻出什么样的奇葩冰淇淋。他们的探索不光好玩,而且很有用。因为玻-爱状态下原子绝对整齐划一,划出一把天然直尺,可以量出任何偏移。将来,人类稳坐地球中军帐,远隔万千星辰,只听原子咯咯异响,就知道有异,就靠这雕原子和造冰箱的好手艺。

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