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科学家创造出第五种物质形态:玻色·爱因斯坦凝聚态

2018-11-7 8:23:06来源:新浪科技作者:叶子责编:远洋评论:

北京时间11月7日消息,据国外媒体报道,2017年1月23日,瑞典基律纳上方256公里处,一枚小小的薄片成为了宇宙中最冷的所在,并持续了几分钟。

图1:2017年1月23日,瑞典基律纳上方256公里处,一枚小小的薄片成为了宇宙中最冷的所在,并持续了几分钟。

这枚薄片很小,约为一枚邮票那么大,上面紧密分布着成千上万个铷-87原子。科学家先是用一枚12米长的无人火箭将这枚薄片送入太空,然后用激光进行轰击,直到薄片中的原子被冷却至零下273.15摄氏度,仅比宇宙中可能达到的最低温——绝对零度高一丁点儿。

在接下来的6分钟里,科学家获得了一个难得的机会,深入了研究这种宇宙中最奇特、最陌生的物质状态——玻色·爱因斯坦凝聚态。这也是科学家首次在太空中创造出这种物态。

不同于其它物态(固体、液体、气体和等离子体),玻色-爱因斯坦凝聚态只有将气态原子云冷却至极接近绝对零度时才能形成,与绝对零度仅相差几十亿分之一摄氏度。当一群原子被冷却至如此低温时,便不再会以单个原子的形式运动,而是会聚合成一个巨大的“超级原子”。成千上万个原子突然变得不可区分,按照统一的波长一同缓慢振动。从理论上来说,周围哪怕出现再细微的引力干扰,都可以被这种物质探测到。

这种超敏感性或将使玻色-爱因斯坦凝聚态成为探测引力波的有力工具。但问题是,如果在地球上研究这种物质,它们很快就会掉落到容器底部、并随之分崩离析,留给科学家的只有短短数秒。

研究人员有时会增加容器高度,试图多争取几秒研究时间。但这种方法并不适合长期研究。因此在低重力或失重条件下研究玻色-爱因斯坦凝聚态可以大大提高研究效率。(出于这一目的,NASA最近在国际空间站上设立了“冷原子实验室”。)

再说回火箭和超低温薄片的问题。上文提到的这枚布满原子的薄片是“微重力物质波干涉测量实验”(MAIUS 1)的一部分,于去年1月发射。地面上的科学家知道,一旦原子进入冷冻状态,他们只有宝贵的几分钟时间。利用火箭上搭设的实验室,该研究团队在这枚薄片上快速开展了110次实验,希望能更好地理解引力对原子捕获和冷却的影响,以及玻色-爱因斯坦凝聚物在自由落体过程中的表现。

此次研究结果于今年10月17日发表在《自然》期刊上。其中一项发现是,切分和重组玻色-爱因斯坦凝聚态可以成为探测引力波的关键工具。在其中一项实验中,该团队用一道激光将这团“凝聚云”切成了两半,然后观察它们重新结合的过程。由于这两半凝聚云拥有相同的量子态,且以连续波的形式运动,若重组后的两半凝聚云发生任何变化,都说明有某种外界影响改变了其量子态。而研究人员表示,引力波便可能是此类影响之一。

好消息是,未来无论是在地球上、还是在太空中,科学家都将开展更多的玻色-爱因斯坦凝聚态研究。就目前而言,MAIUS 1任务的研究人员们主要有两项任务:耐心等待,吃饱穿暖。

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关键词:物质

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