準備打破宇宙最低溫紀錄,NASA 冷原子實驗室溫度將比太空冷上億倍

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 23 日 13:55 | 分類 天文 , 尖端科技 , 航太科技 follow us in feedly

地球上辦不到的實驗就移去外太空做!美國太空總署日前正式將冷原子實驗室(Cold Atom Laboratory,CAL)送上國際太空站,這個只有冰箱大小的有效載荷將嘗試把氣體雲冷卻至比外太空真空環境還要低上億倍的驚人溫度,以幫助科學家一探超冷原子的奇怪量子特性。



冷原子實驗室(CAL)由 NASA 噴射推進實驗室(JPL)設計製造,為一物理研究設施,已於美東時間 5 月 21日凌晨 4 點 39 分搭著 Orbital ATK 火箭出發前往國際太空站(ISS)對接,主要工作是負責將氣體原子雲溫度冷卻至 0.0000000001K(或 100picoKelvin),然後使用磁體來捕捉運動減慢的原子,讓科學家可更長時間觀察微觀量子現象。

在這種極端低溫下,粒子物質波的波長很長、粒子與粒子間的物質波有很大部分重疊,形成一種稱為玻色─愛因斯坦凝聚(BECs)的物態,也就是玻色子粒子冷卻到接近絕對零度(0K)時,呈現出一種氣態、零黏度的超流體狀態,此時我們熟悉的物理規則退到幕後,量子力學開始接管,我們會看到原子行為不再像粒子,反而更像波浪。

玻色─愛因斯坦凝聚於 1995 年首次經實驗證實,當時環境溫度被降至只有 1.7×10-7 K,遠小於外太空宇宙背景輻射溫度 3K,整個已知宇宙中都不存在如此低溫的環境,目前,自然界中已知溫度最低之處位在回力棒星雲(Boomerang Nebula,亦稱領結星雲),距離地球 5,000 光年,溫度經測量只有 1K(−272.15°C)。如果想製造出極低溫環境,主要技術為雷射冷卻和蒸發冷卻,而 CAL 即是利用雷射、電磁來消除氣體粒子動能,直至趨近不動。

▲ 迄今為止發現在宇宙中最冷的物體回力棒星雲。(Source:哈伯太空望遠鏡網站

雖然玻色─愛因斯坦凝聚已在地球實驗成功,但地球重力不斷拉沉原子,導致科學家只能在幾分之一秒內觀察到這種現象;如果來到國際太空站,超冷原子就可以在幾乎零重力環境中保持波浪形狀至少 5~10 秒,未來隨著技術發展,或許可以持續數百秒;研究人員還能夠遠程操作 CAL,每天實驗最多達 6.5 小時。

實驗結果最終可能會改進許多尖端技術,包括用於太空探測器導航的感測器、量子計算機和原子鐘;當然最令人興奮的還是幫助科學家解開暗能量謎團、促進對重力基本性質的理解。

(首圖來源:NASA