太空中的異物質對探測引力波有積極作用

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德國科學家們將一個原子堆垛式的小晶元發射到太空並用激光轟擊後，成功創造了一種全新的物質！其被稱為玻色 - 愛因斯坦冷凝物（BEC）。他們的發現為尋找引力波或時空漣漪的新方法奠定了基礎。

微重力實驗中的物質波干涉儀器（MAIUS-1）於2017年1月23日在瑞典雅思蘭吉航天中心伴隨探空火箭發射。該任務不僅成功創造了第一個太空基的BEC， 研究人員還在6分鐘的太空飛行中用這個樣本進行了100多次實驗。 其結果於2018年10月17日發表在《自然》雜誌上。

玻色 - 愛因斯坦冷凝物（BEC）為探測引力波提供了一種新工具。通過利用微重力實驗中的物質波干涉儀器（MAIUS-1），一組德國研究人員在太空中創造了BEC。

Credit: DLR

玻色 - 愛因斯坦冷凝物（BEC）是當大量原子冷卻到接近絕對零度時的狀態。當溫度足夠低時，處於這種狀態下的大量原子會開始聚集在一起，表現得像單個粒子一樣。換句話說，原子變得不可分辨，而原子團塊的表現就像一個原子。

這種現象是量子力學原理的結果，被稱為波粒二象性，它表明光和物質都具有粒子和波的特性。 粒子的波長與其溫度直接相關，具有較高能量的粒子表現出較短的波長，而較低能量的粒子則具有較長的波長。冷卻一組原子直到它們都處於相同的低能態，那麼它們的波長在整個原子云中就會延伸並趨向統一。

為了使原子溫度儘可能的低，科學家們採用了一種被稱為「激光冷卻」的方法。 當激光束在原子上發射光子（或光粒子）時，光子被原子吸收並在此過程中減少其動量。 那是因為那些光子最初就有自己的動量，當原子吸收光子時，它也會吸收光子的動量。在與光子正面碰撞中，原子就會失去動力或減速。運動得越慢，溫度就越低。

在MAIUS任務期間，銣原子樣本在太空中被冷卻製成了第一個BEC。 但更令人興奮的是研究人員對BEC所做的實驗結果，其表明在太空中能更精準地測量引力波。

MAIUS-1實驗的工程師們將有效載荷載入到探空火箭上。

Credit: DLR

在路易斯安那州的地面激光干涉引力波觀測台（LIGO）發現的引力波使得三位物理學家在2017年獲得了諾貝爾獎。而太空中的BEC可以幫助增強對引力波的探測。

研究人員通過一種被稱為原子干涉儀的裝置，用激光束將物質波分成兩部分，然後以產生干涉圖案的方式重新組合波。 研究員Lachmann說：「當原子處於『自由落體』或微重力環境時，對慣性力很敏感，例如引力場。其精度與BEC在干涉儀上花費的時間成正比。」他還補充道：「由於在地球上進行這種實驗時，總是遇到BEC在短時間內會墜落到地面的問題，而太空中有微重力的條件，所以只要願意花時間就能觀測到。」

中國科學院上海研究院研究員劉亮在Nature News中寫道：「這項新的研究為太空中的量子感測器鋪平了道路，可以用來進行地球上不可能進行的實驗，例如探測通常無法進入頻率範圍內的引力波，感知可能的超輕暗物質粒子，觀察與愛因斯坦廣義相對論相關的微妙效應。沒人知道星載量子感測器將能揭示宇宙的哪些奧秘。」

在太空進行這項實驗之前，科學家們必須先找到一種將生產BEC所需的科學設備小型化的方法。漢諾威大學的合著者Stephan Seidel在一份聲明中說：「通常情況下，這樣的設備可以填滿整個實驗室。設計一個可搭載與探測火箭飛行的緊湊又堅固的系統，對科學家和工程師而言是一個重大挑戰。」 探空火箭的高度僅為2.5米，直徑為0.5米。

自MAIUS任務啟動以來，一個名為冷原子實驗室的類似實驗已被送往國際空間站。 冷原子實驗室於5月發射到空間站，此後其冷卻了大量銣原子來製造BEC，就如同MAIUS的使命一樣。

Lachmann說：「銣是凝結前最簡單的原子種類之一，可以與其它元素一起使用。對於接下來的兩個MAIUS任務（MAIUS-2和-3） ，研究員們將添加鉀-41作為第二種。」 這些任務暫定於2018年和2019年啟動，具體時間並未透露。

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