檢驗愛因斯坦的預言：NASA創造出宇宙已知最冷點

　　2018年08月08日 08:53 新浪科技


　　

　　原子云在冷卻溫度越來越低時的密度變化示意圖。尖銳波峰的出現（溫度為130毫微開爾文）證實了玻色-愛因斯坦凝聚的形成。

　　

　　這個盒子裝有激光器、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零度的溫度。

　　新浪科技訊 北京時間8月8日消息，據國外媒體報道，美國航空航天局（NASA）製造出了目前已知的宇宙最低溫。國際空間站的研究團隊利用一個裝有激光器和真空室的「小盒子」，對原子進行超低溫冷凍，試圖更好地了解重力在最微小尺度上對物質的影響。他們首次在地球軌道上製造出了超低溫的原子云，即玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensates，簡稱BECs）。

　　該研究的目標是為一個統一的宇宙基本力理論提供線索，或許還能為改進型感測器、量子計算機和太空導航中所用的原子鐘的發展鋪平道路。

　　研究人員利用了國際空間站上的特殊艙室——冷原子實驗室（Cold Atom Laboratory，簡稱為CAL），在微重力條件下操縱超低溫量子氣體。所有原子的量子態都束聚於一個單一的量子態的狀態被稱為玻色-愛因斯坦凝聚，20世紀20年代，愛因斯坦和薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）首次對這一狀態進行了預言。

　　冷原子實驗室的溫度計記錄的最高溫僅有100毫微開爾文，即絕對零度之上1開爾文（熱力學溫標記為K）的千萬分之一。絕對零度即0K的狀態，相當於攝氏溫標零下273.15度（-273.15℃）。在理論上，所有粒子在這一溫度時都會停止活動。

　　冷原子是壽命很長、精確受控的量子粒子，科學家希望它們成為達到物理學中最虛幻目標之一——由愛因斯坦首先提出的關於4種基本力的統一理論——的關鍵。

　　有人認為，通過觀察原子在幾乎處於絕對零度時的行為，物理學家可以了解引力、弱相互作用、強相互作用和電磁相互作用的彼此關係。與其他三種力不同，引力可以在很大的範圍上發揮作用，科學家對其在大尺度上的應用也了解得很清楚。我們不知道的是，4個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種基本力建立聯繫。

　　冷原子實驗室於今年5月發射到了國際空間站，科學家希望它的啟用能為了解引力在量子力學理論中扮演的角色提供線索。玻色-愛因斯坦凝聚在世界秩序中具有自己獨有的位置，被定義為物質的第5種狀態，不同於氣體、液體、固體和等離子體。

　　冷原子實驗室的設計目的是提高科學家對引力進行精確測量的能力，並研究引力如何在最小尺度上與這些獨特的物質形態相互作用。原子的波動性質通常只能在顯微水平上觀察到，但玻色-愛因斯坦凝聚使這一現象變得宏觀，因此也更容易進行研究。在冷原子實驗室中，由於溫度極低，使來自銣原子的粒子都處於最低能量狀態，因此呈現相同的波動特性。

　　這使玻色-愛因斯坦凝聚的行為類似一個「超級原子」，而不是單一原子，進一步提高了這一現象的可見性。自1995年首次在實驗室中被製造出來之後，科學家一直在地球上對玻色-愛因斯坦凝聚進行研究。當年參與研究的三位科學家在2001年時獲得了諾貝爾獎。

　　接下來的多年時間裡，科學家進行了數百次相關實驗，有一些甚至是搭載火箭前往太空進行的。在地球上，研究玻色-愛因斯坦凝聚時需要關閉「原子陷阱」——由磁場或激光製成的零阻力容器——但地球的引力會在一瞬間摧毀這一狀態。在國際空間站的冷原子實驗室，微重力環境使科學家能夠一次觀察玻色-愛因斯坦凝聚5到10秒，更多的分析和測量成為可能。

　　冷原子實驗室還使宇航員在一天內能完成多個不同的實驗。「冷原子實驗室是極其複雜的設備，」NASA噴氣動力實驗室天文和物理理事會首席工程師羅伯特·紹威爾（Robert Shotwell）說，「通常情況下，玻色-愛因斯坦凝聚實驗涉及足以填滿整個房間的儀器，並且要求科學家持續不斷地監測，而冷原子實驗室的大小與一台小型冰箱差不多，還可以從地球上遠程操作。」

　　從2017年2月開始，羅伯特·紹威爾就在監督這一充滿挑戰性的項目。他說：「這是一個很困難的項目，需要付出巨大的努力來克服所有障礙，建立起今天在國際空間站上運行的複雜設施。」

　　冷原子實驗室由兩個容器組成，包括較大的「四鎖櫃」和較小的「單鎖櫃」。除了由銣原子製造的玻色-愛因斯坦凝聚之外，冷原子實驗室團隊還在嘗試利用兩種不同的鉀原子同位素來獲得這一狀態。

　　

　　冷原子實驗室的設計目的是提高科學家對引力進行精確測量的能力，並研究引力如何在最小尺度上與這些獨特的物質形態相互作用。冷原子實驗室由兩個容器組成，包括較大的「四鎖櫃」和較小的「單鎖櫃」。

　　

　　冷原子實驗室由NASA的噴氣動力試驗室開發，於今年5月發射到了國際空間站，科學家希望它的啟用能為了解引力在量子力學理論中扮演的角色提供線索。

　　大統一理論

　　愛因斯坦在提出相對論之後，從20世紀20年代開始就致力於發展一種統一理論來融合廣義相對論和電磁學。當時，這兩個領域代表了兩種已知的相互作用，即引力和電磁力。愛因斯坦指出，這兩者的連接將使物理學家能夠將已知宇宙的各個方面拼接到一起。

　　這樣的理論描述了一個單一場，所有力在其中都相互介導，而且所有粒子的性質都可以被推導出來。當時科學家所知道的粒子只有電子和質子，中子的發現要等到1932年。

　　什麼是玻色-愛因斯坦凝聚？

　　玻色-愛因斯坦凝聚是一種超低溫的原子云，最初是在71年前由愛因斯坦和薩特延德拉·納特·玻色提出。

　　在玻色-愛因斯坦凝聚狀態時，物質呈現為一種「超級流體」，其黏度為0。這也意味著，原子可以沒有摩擦地移動，就好像它們是一種固體物質。此時，科學家可以觀察到它們更像是波，而不是粒子，因為各排原子彼此移動時就像「神秘的波形」。

　　研究人員希望，通過對玻色-愛因斯坦凝聚的研究，可以了解引力如何與最微小的粒子相互作用，以及其中蘊含的基本原理。（任天）