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玻色–爱因斯坦凝聚态发射升空,未来可能会有让人震惊的科学发现

北极蚊子 2018-10-22 12:57

由德国物理学家带领的国际科研团队在太空中制造出了玻色–爱因斯坦凝聚态(BEC)。在 6 分钟的自由落体时间内,BEC 上进行了 100 多次实验。这标志着涉及 BEC 的微重力实验有了显著进步,而之前在落塔内进行的自由落体微重力实验只能维持数秒。更重要的是,它还利用国际空间站的零重力操作 BEC,这将为多个物理领域的重要实验敞开大门。

BEC 是具有整数量子自旋原子的集合体。这意味着这些原子不受泡利不相容原理的约束,而且当冷却到接近绝对零度时,它们可以同时处于系统基态。因此,它们表现为单个宏观量子的状态。1995 年,首个 BEC 被造出,并从此在很多物理领域,包括从量子光学到宇宙学,都证明有实验用途。

图 | 被发射进入太空制造 BEC 的原子芯片(来源:德国航空航天中心)

和很多量子态一样,BEC 非常脆弱,因此它作为重力和磁场等外力传感器很有用。然而,这种脆弱性也意味着 BEC 会因与环境的接触而轻易地被破坏。因此,研究人员非常谨慎地屏蔽了热和电磁场。可是人们仍然无法屏蔽重力:“我们通常用原子干涉仪来测量旋转、加速等惯性力,”汉诺威莱布尼兹大学的丹尼斯·贝克(Dennis Becker)说,“如果有重力就会有很大的偏差。”

每天三次自由落体

正如爱因斯坦著名的等效原理所指出的那样,在自由落体中进行的实验与零重力下进行的实验是局部等效的。在这一理论的基础上,2007 年恩斯特·拉塞尔(Ernst Rasel)和汉诺威莱布尼兹大学等机构的同事筹备并观察了一个容器内的 BEC,它从在莱梅微重力研究中心(ZARM)146 米的落塔中做自由落体。研究人员注意到落塔中的凝聚态比地球上的固定实验室稳定得多。然而,他们每天最多做三次实验,而且凝聚态每次自由落体时间不到 5 秒。因此,科学家一直努力推动在地球轨道中创造 BEC。2018 年 5 月,NASA 将冷原子物理实验室(CAL)发射到国际空间站。

在这项最新的研究中,贝克,拉塞尔和同事们将“原子芯片”加载到火箭上,通过不同的路线进入太空。原子芯片由包含有铷-87 原子的微米级磁光阱构成。芯片被放置在一个 3 米长的舱内,舱内有电子器件、激光器、电源等设备。它搭载 MAIUS-1 火箭,于 2017 年 1 月在瑞典发射到 243km 的高空。当火箭到达最高点时,研究人员立刻对这些原子进行强制蒸发冷却——在仅仅 1.6 秒的时间内成功获得包含有 105 个原子的 BEC。

在随后 6 分钟的自由落体运动中,研究人员在凝聚态上完成了 110 次实验。贝克解释说,这是谨慎的前瞻性规划和 AI 的共同成果。团队对一系列实验进行预编程,不同实验间有一个参数在一直改变。“实验仪器也会做部分实验,但也会在一定程度上对其进行评估,这样就能为下一次实验带来最大价值。”贝克说。

未来可能会有让人震惊的科学发现

研究人员发现他们的结果与地球上类似的实验拟合较好。

对于‘是否存在没有预测到的新的物理理论?’这一问题,我的回答是没有,”贝克说,“但是这项任务的主要目标是让该技术为未来任务做好准备,那时可能会有重大科学发现。”比如,在未来发射任务中,研究人员想获得可用于测试等效原理的复合凝聚物。

“令人惊奇的是你可以在火箭在做实验,”巴黎冷原子专家雅各布·雷切尔(Jakob Reichel)说。他补充说,这次实验很有说服力,说明技术可以交由工程师做进一步开发。

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