在國(guó)際空間站上，失重的不僅有宇航員，還有原子。

一直以來(lái)都有研究人員在嘗試在繞地軌道上進(jìn)行科學(xué)研究，以求通過(guò)借助有別于地球環(huán)境的實(shí)驗(yàn)條件，增進(jìn)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的理解。

 國(guó)際空間站。| 圖片來(lái)源：Wikipedia

1995年，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)，在銣原子蒸汽中首次制造出了常被稱為第五種物質(zhì)狀態(tài)的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（BEC）。自那時(shí)起，這種奇怪的量子態(tài)便經(jīng)常地產(chǎn)生于全世界數(shù)的百個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室中，并成為了研究量子物理學(xué)的一個(gè)重要工具。

近日，加州理工學(xué)院（Caltech）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表了一篇新的論文，報(bào)道了他們?nèi)绾卧?strong>失重狀態(tài)下研究BEC。這是首個(gè)利用國(guó)際空間站的失重條件，創(chuàng)造出BEC的實(shí)驗(yàn)，為一系列高精度的測(cè)量提供了新的方法。

BEC是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）和印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）在上世紀(jì)20年代作出的一個(gè)預(yù)測(cè)。當(dāng)被困住的致密玻色子原子云被冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)就可以創(chuàng)造出BEC（玻色子原子是指那些自旋為整數(shù)的原子）。BEC會(huì)呈現(xiàn)出一種統(tǒng)一的狀態(tài)，所有的這些原子會(huì)好似被結(jié)合在了一起，表現(xiàn)得像一個(gè)單一、和諧的物體。

物理學(xué)家們認(rèn)為，BEC或許蘊(yùn)含著能夠解開(kāi)包括暗能量在內(nèi)的一些神秘現(xiàn)象的重要線索。然而，BEC非?！按嗳酢?，任何與外部世界的輕微相互作用，都足以使它們升溫，從而超過(guò)它們的凝聚閾值。

 科學(xué)家在地球軌道上運(yùn)行的“冷原子實(shí)驗(yàn)室”中，創(chuàng)造出了這種奇怪的量子物質(zhì)。| 圖片來(lái)源：NASA

2018年，JPL的物理學(xué)家們?cè)趪?guó)際空間站上搭建了一個(gè)“冷原子實(shí)驗(yàn)室”，開(kāi)始在地球軌道上，研究物質(zhì)的這種奇異狀態(tài)。他們相信，空間站上的微重力環(huán)境，能很大程度上削減重力對(duì)能將原子困住的磁場(chǎng)的干擾，從而為研究BEC提供更加理想的條件。

要形成BEC，研究人員必須先利用激光和磁場(chǎng)將原子云冷卻和固定，原子運(yùn)動(dòng)得越慢，溫度就越低。這種方法能使原子被限制在磁阱中，讓那些具有最高動(dòng)能的原子被無(wú)線電頻輻射從磁阱中逐出。剩下的原子則相互碰撞，并在一個(gè)平均溫度低于初始溫度的環(huán)境下達(dá)到熱平衡。這一過(guò)程會(huì)反復(fù)重復(fù)，直到形成BEC。

 在冷原子實(shí)驗(yàn)室中，原子被逐漸冷卻并凝結(jié)成越來(lái)越致密的原子云。由線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)能捕獲原子，紅色的激光被用于冷卻原子。| 圖片來(lái)源：NASA

雖然在極低溫度條件下，原子幾乎不會(huì)移動(dòng)。然而，當(dāng)磁阱中釋放出BEC時(shí)，原子間的排斥作用會(huì)導(dǎo)致原子云膨脹。在幾秒鐘的時(shí)間之內(nèi)，BEC就會(huì)被稀釋到無(wú)法被探測(cè)的地步。因此，科學(xué)家需要想辦法削弱原子云的膨脹速率。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低磁阱的深度，可以降低膨脹速率。

在地球上制造BEC所需的磁阱是相對(duì)較深的，因?yàn)檫@樣才能抵抗地球引力的作用。相比之下，國(guó)際空間站上的重力非常微弱，因此即便是淺淺的磁阱也有可能產(chǎn)生BEC。

 地球上與太空中的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。| 圖片設(shè)計(jì)：雯雯；素材參考：[2]

他們發(fā)現(xiàn)，在BEC出現(xiàn)之前，凝聚物會(huì)被一種空心環(huán)狀的銣原子云包圍，并與之相互作用。在蒸發(fā)冷卻過(guò)程中，這些原子被切換到了一種對(duì)磁場(chǎng)不敏感的狀態(tài)，原子通過(guò)量子力學(xué)與阱之間發(fā)生非常微弱的相互作用。在地球上，這些原子會(huì)被引力從陷阱中移除；然而在空間站里，它們可以仍處于阱中。

微重力環(huán)境所具有的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它能延長(zhǎng)物理學(xué)家測(cè)量這種奇異的物質(zhì)狀態(tài)的時(shí)間。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以在膨脹發(fā)生的約1.1秒之內(nèi)，觀察從磁阱中釋放出的原子；而在地球上，同樣的技術(shù)只能得到約40毫秒的觀測(cè)時(shí)間。

更長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)更靈敏的測(cè)量，這標(biāo)志著物理學(xué)家可以利用這些原子展開(kāi)更多令人期待的觀測(cè)，例如研究地球引力隨時(shí)間及地區(qū)的變化會(huì)如何變化，并且未來(lái)還能在專門(mén)的衛(wèi)星上，以更精確、更靈敏的方式測(cè)量海平面上升等現(xiàn)象。

除了可能帶來(lái)眾多技術(shù)上的驚喜，這些奇異的量子物質(zhì)也能為物理學(xué)的一些基本原理提供更嚴(yán)格的檢驗(yàn)，比如愛(ài)因斯坦的等效原理。在此之前，已經(jīng)有其他實(shí)驗(yàn)曾試圖用如火箭、飛機(jī)和“落塔”等微重力設(shè)施來(lái)研究這些凝聚物，但這類飛行器短暫的飛行時(shí)間限制了可以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)量。

因此，空間站在進(jìn)行這類研究方面無(wú)疑具有很大的優(yōu)勢(shì)。研究人員期待，未來(lái)，關(guān)于原子的這類研究可以為物理學(xué)提供更多新的見(jiàn)解。