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科学家首次在太空中创造出罕见的第五种物质形式

(©Brian Kenney/Shutterstock)

在2017年1月23日的几分钟里,已知宇宙中最冷的地方是一个在瑞典基律纳上空盘旋150英里的微型芯片。

芯片很小,大约有邮票那么大,上面装载着数千个紧密堆积的铷-87原子。科学家们用一枚40英尺长(12米)的无人驾驶火箭将芯片送入太空,然后用激光轰击芯片,直到里面的原子冷却到零下459.67华氏度(零下273.15摄氏度)——绝对零度以上零下一个零下的零下一个零下,宇宙中最冷的温度。

当火箭在低重力下摆动了6分钟后,科学家们得到了一个难得的机会深入研究宇宙中最奇怪、最不易理解的物质状态——玻色-爱因斯坦凝聚态。科学家有史以来第一次在太空中创造了一个

,与其他四种物质状态(固体、液体、气体和等离子体)不同,玻色-爱因斯坦凝聚体只有在气体原子云冷却到绝对零度以上几十亿分之一度以内时才能形成。当一组原子被冷却到如此深不可测的低温时,它们就不再像单个原子那样移动,而融合成一个巨大的“超级原子”。数万个原子突然变得无法区分,在一个均匀的波长上缓慢地振动,理论上可以,拾取它们周围最小的引力扰动。

超灵敏度使玻色-爱因斯坦凝聚成为探测引力波的有希望的工具——黑洞和中子星等超大质量物体碰撞产生的时空曲率扰动。问题是,当科学家在地球实验室制造玻色-爱因斯坦凝聚体时,他们只有几秒钟的时间来研究它们,然后这些同质物质就会落到容器的底部并破裂。

研究人员有时试图通过从高塔上滴下玻色-爱因斯坦凝聚物来为自己争取几秒钟的时间,但这种 ... 对于长期研究来说是不可持续的。在低重力或无重力的情况下研究玻色-爱因斯坦凝聚会更有效。(美国宇航局最近为此在国际空间站上建立了一个冷原子实验室。)

这个微型芯片在2017年1月23日在瑞典基律纳上空盘旋6分钟,成为已知宇宙中最冷的地方。(德国航空航天中心)

将我们带回我们的火箭和我们非常冷的芯片。去年一月,当充满原子的芯片作为微重力物质波干涉测量(MAIUS 1)实验的一部分被送入太空时,地面上的科学家们知道,一旦内部原子冻结,他们有宝贵的几分钟时间来研究它。利用火箭内置的小型实验室,研究小组在芯片上进行了110次利克蒂分裂实验,以更好地了解重力对原子俘获和冷却的影响,以及玻色-爱因斯坦凝聚体在自由落体中的行为。

发表在10月17日出版的《自然》杂志上,研究人员发现,对玻色-爱因斯坦凝聚体进行切片和重组可能是探测难以捉摸的引力波的关键工具。在一个实验中,研究小组用激光将凝结云切成两半,然后观察两半重新结合。由于云的两个半部分共享完全相同的量子态,并以连续波的形式移动,重组后两个半部分的任何差异都可能表明外部影响改变了该状态。根据研究人员的说法,引力波的存在可能就是这样一种影响。

如果所有关于芯片和开创性科学的讨论都让你渴望得到更多,那么好消息是,在地球上和它上面还有很多玻色-爱因斯坦凝聚体的研究要做。目前,迈乌斯一号任务背后的研究人员正在研究两个续集。请继续关注(并打包)。

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