冷原子實驗室證實造出玻色–愛因斯坦凝態,溫度比太空均溫低 3 K

作者 | 發布日期 2018 年 08 月 09 日 11:51 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

美國太空總署(NASA)今年 5 月正式送上國際太空站的物理研究設施冷原子實驗室(CAL),已證實在太空中首次創造出愛因斯坦預言的玻色–愛因斯坦凝態,環境溫度低達 100 nK,將幫助科學家理解鬼魅般的量子力學,以及重力如何在最小尺度上發揮作用。



量子力學負責解釋除重力之外的所有基本力(電磁交互作用、強交互作用、弱交互作用)如何在最小尺度上工作,而廣義相對論則解釋重力在最大尺度上的表現。為了搞清楚至今都還被籠罩在迷霧之下的量子力學,以及重力如何在最小尺度上與物質相互作用,科學家正在進行一系列實驗,比如前幾個月剛在國際太空站(ISS)就定位的冷原子實驗室(Cold Atom Laboratory,CAL)。

最近 NASA 噴射推進實驗室證實,冷原子實驗室已經從太空中利用銣原子創造出玻色–愛因斯坦凝態,據報告,實驗室環境低達 100 nK(=0.0000001 K),比太空平均溫度3.15 K(-270℃)低約 3 K。

玻色–愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensates,BECs)是玻色子粒子在冷卻到接近絕對零度時,所呈現出一種超流性的物態,也是物質的第五態,最早由物理學家薩特延德拉·納特·玻色和阿爾伯特·愛因斯坦於 1920 年代預測。

理論上,玻色–愛因斯坦凝態是是將原子保持在極低溫狀態的超冷原子,接近絕對零度,此時原子的量子力學性質開始彰顯,不同狀態的原子可以凝聚成相同狀態,就像是不同物質的原子在不同狀態下被大一統。

科羅拉多大學鮑爾德分校科學家 Eric Cornell 及 Carl Wieman 是最早創造出玻色-愛因斯坦凝態的團隊,利用氣態銣-87 原子在 170 nK(1.7×10-7  K)的低溫下首次獲得 BECs;4 個月後,麻省理工學院科學家 Wolfgang Ketterle 使用鈉-23 原子獨立獲得了玻色-愛因斯坦凝態。

自那時起,科學家在地球上進行過數百次 BECs 實驗,但受限於地球重力拉扯原子,這些狀態轉瞬即逝,導致科學家無法進一步詳細觀察。因此,美國太空總署(NASA)決定將實驗室打上處於微重力環境的國際太空站,在那裡,玻色–愛因斯坦凝態能持續 5~10 秒,並且每天實驗可長達 6 小時。

除銣元素外,CAL 團隊也嘗試使用 2 種不同的鉀原子同位素來創造 BECs,目前 CAL 仍處於調試階段,但已有 5 個科學小組在摩拳擦掌等待正式實驗啟動,其中就包括了 Eric Cornell 團隊。

給這台儀器一點時間,它將幫助科學家了解重力如何在最小尺度工作,以後結合歐洲核子研究中心與世界各地粒子物理實驗室進行的高能實驗,最終將能解釋萬有理論(Theory of Everything,ToE),並揭露宇宙的運作方式。

註:1 nK = 1.0 × 10-9  K。

(首圖來源:NASA

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