在太空中是如何研究第五类物质的?

大科技大科技 科学之谜 2022-06-07 754 0

物质除了固态、液态、气态、等离子态之外,还存在第五种状态,叫玻色-爱因斯坦凝聚态,是爱因斯坦和印度物理学家玻色在1920年代早期提出来的。

玻色-爱因斯坦凝聚态是一种宏观的量子态。我这么说,你可能还意识不到它的奇特性。那下面就解释一下。

集宏观与量子于一身

我们知道,所有宏观物体归根结底是由微观粒子组成的,而微观粒子的行为本质上是量子行为。量子的行为迥异于我们的日常经验,比如它们既是粒子,又是波;可以既在这里,又在那里;等等。更奇怪的是,一旦大量的粒子聚在一起,形成宏观物体,量子的怪脾气就统统消失不见了。所以,一般来说,“宏观”和“量子”是不可兼俱的。

在太空中是如何研究第五类物质的?

而玻色-爱因斯坦凝聚体却能将两者萃于一身。首先,处于该态的是一大群粒子的集合体,整体(大小不超过一粒细菌)可视作一个宏观物体;其次,这个宏观物体却依然表现出波粒二相等量子特性。物理学家要描述它,也只能借助量子力学,而不是牛顿力学。

实验室里,要制造出玻色-爱因斯坦凝聚态,条件是相当苛刻的。譬如,先在真空室中用激光给铷和钾原子减速,然后用磁场把它们囚禁起来,形成一个由很多原子组成的原子团,再把原子团冷却到几近绝对零度,才会产生玻色-爱因斯坦凝聚态。但即使千辛万苦造出来,它们也会因为受地球重力的影响,存在不到1秒,就快速崩塌,根本不给我们任何进一步观察的机会。

太空中表现不凡

这就导致科学家产生这样一个设想:如果有一天在太空中制造出玻色-爱因斯坦凝聚态该多好,因为那里几乎不受重力的影响,它们或许会存在时间久一些。

这个梦想2020年6月终于在国际空间站实现了。美国宇航局的科学家将实验设备运送到国际空间站,然后远程操作,制造出了太空中的玻色-爱因斯坦凝聚体。

初步结果表明,凝聚体在太空中的行为与地面有所不同。首先,它们存在了几秒钟,其寿命确实比地面长了不少;其次,研究小组发现,大约一半的原子抱成团,但依然还有另一半的原子,不肯投入“集体的怀抱”,而是漂浮在外,形成一个类似光晕的原子云。在地面的实验中,漂浮的原子云因受地球重力的作用,会很快支撑不住,但在太空中,却能长久存在。

诱人的应用前景

玻色-爱因斯坦凝聚体在太空中有着诱人的应用前景。不久的将来,研究人员希望利用两个这样的凝聚体进行量子水平上的碰撞。他们还想通过监测凝聚体受到的扰动,来探测引力波。因为引力波本质上是时空的扰动,而玻色-爱因斯坦凝聚体对空间扰动非常敏感,稍有扰动,就会崩塌。

再往后,太空中的玻色-爱因斯坦凝聚体还可以用来验证广义相对论的等效原理。等效原理说,在同一个引力场中,所有有质量的物体,不论其质量大小,其加速度都是一样的。也就是伽利略比萨斜塔实验所要证明的一个事实:两个质量不等的球,从塔的同一高度同时释放,它们将同时落到地面。

但是,广义相对论的等效原理其描述对象是宏观物体,对于量子物体,它还成立吗?前面说过,量子的行为很多时候迥异于宏观物体的行为。比如,对于宏观物体,我们可以同时精确地测量它的位置和动量,但对于量子物体,这是办不到的:测量位置越准确,测量动量势必就越不准确;反之亦然(这就是著名的不确定性原理)。在这种情况下,怎样证明广义相对论的等效原理在微观世界也是成立的?而玻色-爱因斯坦凝聚体,因为一方面它们是比单个微观粒子要大得多的原子团,另一方面又保持着量子行为,所以成了验证等效原理的首选量子物体。

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