在太空中是如何研究第五类物质的？

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。

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。