首次在太空中，创造出第五种物质状态

在国际空间站上，失重的不仅有宇航员，还有原子。

一直以来都有研究人员在尝试在绕地轨道上进行科学研究，以求通过借助有别于地球环境的实验条件，增进对基础科学的理解。

国际空间站。| 图片来源：Wikipedia

1995年，一个物理学家团队利用磁场，在铷原子蒸汽中首次制造出了常被称为第五种物质状态的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。自那时起，这种奇怪的量子态便经常地产生于全世界数的百个不同实验室中，并成为了研究量子物理学的一个重要工具。

近日，加州理工学院（Caltech）喷气推进实验室（JPL）的研究人员在《自然》杂志上发表了一篇新的论文，报道了他们如何在失重状态下研究BEC。这是首个利用国际空间站的失重条件，创造出BEC的实验，为一系列高精度的测量提供了新的方法。

BEC是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）在上世纪20年代作出的一个预测。当被困住的致密玻色子原子云被冷却到接近绝对零度时就可以创造出BEC（玻色子原子是指那些自旋为整数的原子）。BEC会呈现出一种统一的状态，所有的这些原子会好似被结合在了一起，表现得像一个单一、和谐的物体。

物理学家们认为，BEC或许蕴含着能够解开包括暗能量在内的一些神秘现象的重要线索。然而，BEC非常“脆弱”，任何与外部世界的轻微相互作用，都足以使它们升温，从而超过它们的凝聚阈值。

科学家在地球轨道上运行的“冷原子实验室”中，创造出了这种奇怪的量子物质。| 图片来源：NASA

2018年，JPL的物理学家们在国际空间站上搭建了一个“冷原子实验室”，开始在地球轨道上，研究物质的这种奇异状态。他们相信，空间站上的微重力环境，能很大程度上削减重力对能将原子困住的磁场的干扰，从而为研究BEC提供更加理想的条件。

要形成BEC，研究人员必须先利用激光和磁场将原子云冷却和固定，原子运动得越慢，温度就越低。这种方法能使原子被限制在磁阱中，让那些具有最高动能的原子被无线电频辐射从磁阱中逐出。剩下的原子则相互碰撞，并在一个平均温度低于初始温度的环境下达到热平衡。这一过程会反复重复，直到形成BEC。

在冷原子实验室中，原子被逐渐冷却并凝结成越来越致密的原子云。由线圈产生的磁场能捕获原子，红色的激光被用于冷却原子。| 图片来源：NASA

虽然在极低温度条件下，原子几乎不会移动。然而，当磁阱中释放出BEC时，原子间的排斥作用会导致原子云膨胀。在几秒钟的时间之内，BEC就会被稀释到无法被探测的地步。因此，科学家需要想办法削弱原子云的膨胀速率。他们发现，通过降低磁阱的深度，可以降低膨胀速率。

在地球上制造BEC所需的磁阱是相对较深的，因为这样才能抵抗地球引力的作用。相比之下，国际空间站上的重力非常微弱，因此即便是浅浅的磁阱也有可能产生BEC。

地球上与太空中的玻色-爱因斯坦凝聚。| 图片设计：雯雯；素材参考：[2]

他们发现，在BEC出现之前，凝聚物会被一种空心环状的铷原子云包围，并与之相互作用。在蒸发冷却过程中，这些原子被切换到了一种对磁场不敏感的状态，原子通过量子力学与阱之间发生非常微弱的相互作用。在地球上，这些原子会被引力从陷阱中移除；然而在空间站里，它们可以仍处于阱中。

微重力环境所具有的另一个优势是，它能延长物理学家测量这种奇异的物质状态的时间。研究人员发现，他们可以在膨胀发生的约1.1秒之内，观察从磁阱中释放出的原子；而在地球上，同样的技术只能得到约40毫秒的观测时间。

更长的观测时间可以实现更灵敏的测量，这标志着物理学家可以利用这些原子展开更多令人期待的观测，例如研究地球引力随时间及地区的变化会如何变化，并且未来还能在专门的卫星上，以更精确、更灵敏的方式测量海平面上升等现象。

除了可能带来众多技术上的惊喜，这些奇异的量子物质也能为物理学的一些基本原理提供更严格的检验，比如爱因斯坦的等效原理。在此之前，已经有其他实验曾试图用如火箭、飞机和“落塔”等微重力设施来研究这些凝聚物，但这类飞行器短暂的飞行时间限制了可以进行的实验数量。

因此，空间站在进行这类研究方面无疑具有很大的优势。研究人员期待，未来，关于原子的这类研究可以为物理学提供更多新的见解。

参考来源：

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-020-01653-6#ref-CR1

[3] https://www.sciencenews.org/article/weird-quantum-state-matter-bose-einstein-condensate-space-station

[4] https://science.sciencemag.org/content/269/5221/198

[5] https://phys.org/news/2020-06-quantum-state-space.html

封面图来源：NASA