原子云在冷卻溫度越來(lái)越低時(shí)的密度變化示意圖。尖銳波峰的出現(xiàn)(溫度為130毫微開(kāi)爾文)證實(shí)了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的形成。
這個(gè)盒子裝有激光器、真空室、艙室和一把電磁“刀”，可以抵消氣體粒子的能量，使原子冷凍到接近絕對(duì)零度的溫度。
新浪科技訊 北京時(shí)間8月8日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)航空航天局(NASA)制造出了目前已知的宇宙最低溫。國(guó)際空間站的研究團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)裝有激光器和真空室的“小盒子”，對(duì)原子進(jìn)行超低溫冷凍，試圖更好地了解重力在最微小尺度上對(duì)物質(zhì)的影響。他們首次在地球軌道上制造出了超低溫的原子云，即玻色-愛(ài)因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensates，簡(jiǎn)稱(chēng)BECs)。
該研究的目標(biāo)是為一個(gè)統(tǒng)一的宇宙基本力理論提供線索，或許還能為改進(jìn)型傳感器、量子計(jì)算機(jī)和太空導(dǎo)航中所用的原子鐘的發(fā)展鋪平道路。
研究人員利用了國(guó)際空間站上的特殊艙室——冷原子實(shí)驗(yàn)室(Cold Atom Laboratory，簡(jiǎn)稱(chēng)為CAL)，在微重力條件下操縱超低溫量子氣體。所有原子的量子態(tài)都束聚于一個(gè)單一的量子態(tài)的狀態(tài)被稱(chēng)為玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，20世紀(jì)20年代，愛(ài)因斯坦和薩特延德拉·納特·玻色(Satyendra Nath Bose)首次對(duì)這一狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)言。
冷原子實(shí)驗(yàn)室的溫度計(jì)記錄的最高溫僅有100毫微開(kāi)爾文，即絕對(duì)零度之上1開(kāi)爾文(熱力學(xué)溫標(biāo)記為K)的千萬(wàn)分之一。絕對(duì)零度即0K的狀態(tài)，相當(dāng)于攝氏溫標(biāo)零下273.15度(-273.15℃)。在理論上，所有粒子在這一溫度時(shí)都會(huì)停止活動(dòng)。
冷原子是壽命很長(zhǎng)、精確受控的量子粒子，科學(xué)家希望它們成為達(dá)到物理學(xué)中最虛幻目標(biāo)之一——由愛(ài)因斯坦首先提出的關(guān)于4種基本力的統(tǒng)一理論——的關(guān)鍵。
有人認(rèn)為，通過(guò)觀察原子在幾乎處于絕對(duì)零度時(shí)的行為，物理學(xué)家可以了解引力、弱相互作用、強(qiáng)相互作用和電磁相互作用的彼此關(guān)系。與其他三種力不同，引力可以在很大的范圍上發(fā)揮作用，科學(xué)家對(duì)其在大尺度上的應(yīng)用也了解得很清楚。我們不知道的是，4個(gè)基本力中最弱的引力如何與量子粒子相互作用，以及如何與其他3種基本力建立聯(lián)系。
冷原子實(shí)驗(yàn)室于今年5月發(fā)射到了國(guó)際空間站，科學(xué)家希望它的啟用能為了解引力在量子力學(xué)理論中扮演的角色提供線索。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚在世界秩序中具有自己獨(dú)有的位置，被定義為物質(zhì)的第5種狀態(tài)，不同于氣體、液體、固體和等離子體。
冷原子實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)目的是提高科學(xué)家對(duì)引力進(jìn)行精確測(cè)量的能力，并研究引力如何在最小尺度上與這些獨(dú)特的物質(zhì)形態(tài)相互作用。原子的波動(dòng)性質(zhì)通常只能在顯微水平上觀察到，但玻色-愛(ài)因斯坦凝聚使這一現(xiàn)象變得宏觀，因此也更容易進(jìn)行研究。在冷原子實(shí)驗(yàn)室中，由于溫度極低，使來(lái)自銣原子的粒子都處于最低能量狀態(tài)，因此呈現(xiàn)相同的波動(dòng)特性。
這使玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的行為類(lèi)似一個(gè)“超級(jí)原子”，而不是單一原子，進(jìn)一步提高了這一現(xiàn)象的可見(jiàn)性。自1995年首次在實(shí)驗(yàn)室中被制造出來(lái)之后，科學(xué)家一直在地球上對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚進(jìn)行研究。當(dāng)年參與研究的三位科學(xué)家在2001年時(shí)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
接下來(lái)的多年時(shí)間里，科學(xué)家進(jìn)行了數(shù)百次相關(guān)實(shí)驗(yàn)，有一些甚至是搭載火箭前往太空進(jìn)行的。在地球上，研究玻色-愛(ài)因斯坦凝聚時(shí)需要關(guān)閉“原子陷阱”——由磁場(chǎng)或激光制成的零阻力容器——但地球的引力會(huì)在一瞬間摧毀這一狀態(tài)。在國(guó)際空間站的冷原子實(shí)驗(yàn)室，微重力環(huán)境使科學(xué)家能夠一次觀察玻色-愛(ài)因斯坦凝聚5到10秒，更多的分析和測(cè)量成為可能。
冷原子實(shí)驗(yàn)室還使宇航員在一天內(nèi)能完成多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)。“冷原子實(shí)驗(yàn)室是極其復(fù)雜的設(shè)備，”NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室天文和物理理事會(huì)首席工程師羅伯特·紹威爾(Robert Shotwell)說(shuō)，“通常情況下，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)涉及足以填滿(mǎn)整個(gè)房間的儀器，并且要求科學(xué)家持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)，而冷原子實(shí)驗(yàn)室的大小與一臺(tái)小型冰箱差不多，還可以從地球上遠(yuǎn)程操作。”
從2017年2月開(kāi)始，羅伯特·紹威爾就在監(jiān)督這一充滿(mǎn)挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目。他說(shuō)：“這是一個(gè)很困難的項(xiàng)目，需要付出巨大的努力來(lái)克服所有障礙，建立起今天在國(guó)際空間站上運(yùn)行的復(fù)雜設(shè)施。”
冷原子實(shí)驗(yàn)室由兩個(gè)容器組成，包括較大的“四鎖柜”和較小的“單鎖柜”。除了由銣原子制造的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚之外，冷原子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)還在嘗試?yán)脙煞N不同的鉀原子同位素來(lái)獲得這一狀態(tài)。
冷原子實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)目的是提高科學(xué)家對(duì)引力進(jìn)行精確測(cè)量的能力，并研究引力如何在最小尺度上與這些獨(dú)特的物質(zhì)形態(tài)相互作用。冷原子實(shí)驗(yàn)室由兩個(gè)容器組成，包括較大的“四鎖柜”和較小的“單鎖柜”。
冷原子實(shí)驗(yàn)室由NASA的噴氣動(dòng)力試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，于今年5月發(fā)射到了國(guó)際空間站，科學(xué)家希望它的啟用能為了解引力在量子力學(xué)理論中扮演的角色提供線索。
大統(tǒng)一理論
愛(ài)因斯坦在提出相對(duì)論之后，從20世紀(jì)20年代開(kāi)始就致力于發(fā)展一種統(tǒng)一理論來(lái)融合廣義相對(duì)論和電磁學(xué)。當(dāng)時(shí)，這兩個(gè)領(lǐng)域代表了兩種已知的相互作用，即引力和電磁力。愛(ài)因斯坦指出，這兩者的連接將使物理學(xué)家能夠?qū)⒁阎钪娴母鱾€(gè)方面拼接到一起。
這樣的理論描述了一個(gè)單一場(chǎng)，所有力在其中都相互介導(dǎo)，而且所有粒子的性質(zhì)都可以被推導(dǎo)出來(lái)。當(dāng)時(shí)科學(xué)家所知道的粒子只有電子和質(zhì)子，中子的發(fā)現(xiàn)要等到1932年。
什么是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚？
玻色-愛(ài)因斯坦凝聚是一種超低溫的原子云，最初是在71年前由愛(ài)因斯坦和薩特延德拉·納特·玻色提出。
在玻色-愛(ài)因斯坦凝聚狀態(tài)時(shí)，物質(zhì)呈現(xiàn)為一種“超級(jí)流體”，其黏度為0。這也意味著，原子可以沒(méi)有摩擦地移動(dòng)，就好像它們是一種固體物質(zhì)。此時(shí)，科學(xué)家可以觀察到它們更像是波，而不是粒子，因?yàn)楦髋旁颖舜艘苿?dòng)時(shí)就像“神秘的波形”。
研究人員希望，通過(guò)對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的研究，可以了解引力如何與最微小的粒子相互作用，以及其中蘊(yùn)含的基本原理。(任天)
