NASA將發冷原子實驗室 探測地球無法觀察的量子現象

量子物理學家即將在太空擁有自己的「遊樂場」。據英國《自然》雜誌官網5月8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室將於5月20日發射升空，進入國際空間站。屆時，它將成為目前宇宙中最冷的地方，研究人員將用它探測在地球上無法觀察到的量子現象，如在太空製造「泡泡」「環」和「漩渦」等，從而以前所未有的方式「玩轉」量子力學。

研究人員指出，這可能促使科學家發現新物理學，推進前沿物理學的發展。

宇宙間最冷之地：量子力學的「樂園」

該實驗室由NASA的噴氣推進實驗室（JPL）負責。研究人員稱，冷原子實驗室耗資8300萬美元，主要目標是製造出名為「玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）」的獨特「超流體」物質態，供科學家研究宏觀尺度上的量子力學。

BEC是數十萬個原子組成的雲，當被冷卻到絕對零度附近時，數十萬個原子的行動保持同步，就像單一的量子物體一樣。該任務項目經理、噴氣推進實驗室的卡姆爾·奧德瑞自豪地表示：「能夠在太空進行這些實驗是一項巨大的成就。」

在地球上，一般情況下，重力在幾秒鐘之內就會讓BEC分崩離析。但如果它們漂浮在國際空間站，應該能「存活」至少10秒鐘。這一時間足夠讓它們被冷卻到創紀錄的低溫——可能只比絕對零度高20萬億分之一攝氏度。

奧德瑞說，這是宇宙中已知最冷的溫度。美國國家標準與技術研究院（NIST）原子物理學家格雷琴·坎貝爾說，更冷且更「長壽」的BEC將「推動前沿基礎物理領域的研究，15年來，科學家一直期盼會產生新的物理學。」

麻雀雖小五臟俱全：工具包大小的實驗設備

國際空間站可謂「寸土寸金」，所以工程師不得不壓縮原子物理設備的大小，將填滿一個大房間的設施壓縮到一個冷藏箱大小的箱子內。該設備利用激光來冷卻銣和鉀原子，使它們幾乎停滯不動；然後，用磁場捕捉原子云；最後，科學家將使用其他冷卻技術——包括無線電波「刀」來剝離能量最高的原子等，將原子云冷卻到更接近絕對零度的溫度，從而創造出BEC。

NASA冷原子實驗室內，激光器和其他技術將原子冷卻到絕對零度附近。來源：英國《自然》雜誌官網

此外，工程師還必須設計屏蔽層，以保護脆弱的BEC免受密集組件和不斷變化的地球磁場的干擾。而且，實驗只有在國際空間站上的科研人員睡覺之後才運行，以盡量減少任何運動可能造成的干擾。

該技術比最初設想的要簡單，因為更複雜的實驗室版本出現了問題，影響了真空室並且可能會導致項目延期，這導致物理學家暫時無法實現他們的最終目標——執行基於太空的原子干涉測量，這個過程會將BEC的量子波分成兩部分並重新組合，得到的干涉圖案讓科學家可以更精確地分析重力的影響，也能讓他們測試BEC是否可用作極為靈敏的旋轉和重力感測器。

不過，該任務科學家、JPL的羅伯特·湯普森說，更高級的套件應該會在2019年底到達國際空間站。

玩轉量子力學：氣泡、環和漩渦

湯普森說，儘管裝備不足，但物理學家仍可就目前的情況發現新物理學。屆時，將有5支研究團隊使用這一實驗室進行實驗。其中一個團隊計劃使用無線電波和磁場，讓BEC形成約30微米的氣泡形。根據量子力學，由於氣泡既纖薄又沒有邊緣，BEC的行為應與地球上形成圓盤或球體時的行為迥然不同。

冷原子實驗室被用於研究處於國際空間站得微重力環境下的超冷的量子流體。來源：英國《自然》雜誌官網

史密斯學院理論物理學家科特尼蘭·內特說，它可能更容易形成一種名為「渦流」的旋渦。在地球上，當流體下落時，試圖產生氣泡的過程總是以碗形狀結束。她說：「除非我們能擺脫重力，否則我們根本無法獲得這種形狀。」

科羅拉多大學的埃里克·康奈爾與他人共同發現BEC而榮獲2001年諾貝爾物理學獎，此次，他領導的團隊將嘗試創造出被稱為「埃菲莫夫」（Efimov）態的奇異的鬆散結合系統。這一物質形態以1970年提出其存在的俄羅斯理論物理學家維塔利·埃菲莫夫的名字命名，在原子結合力太弱而不能結成對，從而形成「三人組」的情況下，這些量子態會突然「現身」。這一結構與著名的拓撲結構博羅米爾（Borromean）環類似。乍看上去，博羅米爾環是三個互鎖的環，但細看則不然：沒有兩個環是互鎖的。如果打斷任一個環，整個結構就分開了。只有保持三個環都完整，這些環才能結合在一起。

核物理學家對這一結構非常感興趣，因為它們與由中子和質子構成的罕見的三粒子核類似，而科學家目前對三粒子核知之甚少。

康奈爾團隊希望創造最簡單的埃菲莫夫態，以及其受激發的膨脹態。在受激發的埃菲莫夫態中，儘管原子間存在細菌大小的縫隙，但其彼此依附。華盛頓州立大學鉑爾曼分校的物理學家瑪倫·莫斯曼說，康奈爾團隊也許能製造出由4個原子組成的此類結構——所謂的四聚體（tetramer）。

自1997年加入JPL，湯普森一直致力於創建這樣的太空實驗室。他認為，目前的實驗室是向更複雜的太空原子物理實驗室邁出的關鍵一步。NASA正與德國航空航天中心（DLR）攜手建造一個名為BECCAL（玻色-愛因斯坦冷凝體和冷原子實驗室）的設施。

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