物質的第五種狀態，在太空中被製造出來了
計算機模擬的玻色-愛因斯坦凝聚（圖片來源：NASA/NIST）
玻色-愛因斯坦凝聚是已知的第五種物質狀態。20多年前，科學家已經在實驗室中製備出這種狀態，但這種不穩定的狀態持續時間太短，因此科學家難以加以應用。最近，NASA科學家首次在國際空間站製備出玻色-愛因斯坦凝聚——在這樣的微重力環境中，玻色-愛因斯坦凝聚可以延續更長的時間，因此可以被用於研究其量子性質。
編譯 | 賀白
編輯 | 吳非
製備第五種狀態
物質有哪些狀態？我們熟悉的物質狀態包括固態、液態、氣態和等離子體，而早在20世紀20年代初，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和印度數學家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）就預言了物質的第5種狀態——玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate，簡稱BEC）。
玻色-愛因斯坦凝聚非常奇特，這種狀態是玻色子原子冷卻到略高於絕對零度時形成的。這會導致它們下沉到能量最低的量子態，移動非常緩慢，並且靠近到可以重疊，從而產生一個高密度的原子云。這時的物質狀態不再表現為單個原子和粒子，而是一個處於量子態的實體，表現出統一的狀態。
不過，物理的實驗要追趕上理論，有時需要一點時間。在玻色-愛因斯坦凝聚的理論預測誕生70多年後，這種狀態真正地在實驗室中被製造出來。
1995年，埃里克·康奈爾（Eric Cornell）和卡爾·威曼（Carl Wieman）等人在美國天體物理學聯合實驗室（JILA）成功製備了玻色-愛因斯坦凝聚。他們利用磁場約束原子，同時通過激光冷卻和磁勢阱蒸發冷卻，使系統溫度降到足夠低。這時，將大量玻色子塞進一個微觀的磁勢阱中，它們的波可以重疊形成單一的物質波，這種性質被稱為量子簡併。在將約2000個稀薄氣態的銣-87原子的溫度降低到170 nK後，玻色-愛因斯坦凝聚出現了。這種狀態在玻璃試管中產生，直徑大約20微米。康奈爾和威曼發現的氣態的玻色-愛因斯坦凝聚呈現出許多超流體的特性。
4個月後，麻省理工學院的沃爾夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle）使用鈉-23獨立地獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。克特勒製備的玻色-愛因斯坦凝聚含有的原子數量，是康奈爾和威曼實驗中的約100倍，這樣他可以用該狀態獲得一些非常重要的結果，比如觀測兩個不同凝聚之間的量子衍射。2001年康奈爾、威曼和克特勒因相關研究同時獲得諾貝爾物理獎。
對物理學家來說，玻色-愛因斯坦凝聚的特殊性質有著重要意義。玻色-愛因斯坦凝聚使科學家能夠將微小尺度的量子現象放大到宏觀尺度上，從而用來研究量子行為及相關規律，而不僅僅是研究單個原子。
但是，與普通的物質狀態相比，玻色-愛因斯坦凝聚非常不穩定。其與外界極其微弱的相互作用就足以使它們加熱到超出臨界溫度，分解為單一原子的狀態，這也在很大程度上限制了它的應用。
冷原子實驗室
如何提升對玻色-愛因斯坦的觀測能力？NASA噴氣推進實驗室（JPL）的羅伯特·湯普森（Robert Thompson）想到了太空環境。
在實驗室觀測玻色-愛因斯坦凝聚時，為了進行觀測研究，研究人員需要解除磁勢阱。但失去束縛的原子開始相互排斥，導致原子云四散消失，玻色-愛因斯坦凝聚變得過於稀薄因而無法探測。而要延長觀測時間，就需要更淺的磁勢阱。
在地球上的實驗室中，重力的存在使得實驗需要製造較深的磁勢阱。這時，湯普森和團隊成員意識到，國際空間站中的微重力環境，使他們能夠用銣在比地球上更弱的磁阱中製造出玻色-愛因斯坦凝聚，因而在膨脹消失前可被研究的時間大幅增加了。
冷原子實驗室（Cold Atom Laboratory）於2018年被發射到國際空間站，湯普森和同事們一直在通過機器工作遠程操縱冷原子實驗室。近期，研究小組在《自然》雜誌上公布了國際空間站上玻色-愛因斯坦凝聚實驗的首批結果，展示了在地球上和國際空間站上的玻色-愛因斯坦凝聚屬性的驚人差異。
最顯著的差異來自觀測時間的提升。與在地球上通常只有幾十毫秒的自由膨脹時間（在關閉陷阱後，原子盤旋並能被測量的時長）相比，在國際空間站上可以超過一秒。這給研究小組提供了前所未有的機會來研究它們的性質。
除了自由膨脹時間的提升，國際空間站的微重力環境還允許原子被較弱的磁場操縱，加快了它們的冷卻速度，適用地球上無法使用的磁勢阱類型，並允許更清晰的成像。
湯普森說：「最重要的是，我們可以觀察到原子在完全不受外力約束（因此也不受外力干擾）的情況下漂浮。」
研究小組負責人戴維·阿夫利娜（David Aveline）說：「在微重力下研究玻色-愛因斯坦凝聚提供了許多研究機會。其應用範圍從廣義相對論的測試，暗能量和引力波的搜索，到航天器導航，以及在月球和其他行星體上尋找地下礦物。」能夠在空間站上生成並維持玻色-愛因斯坦凝聚，有望使高精準測量基本量子效應成為可能。
原始論文：
參考鏈接：
https://phys.org/news/2020-06-quantum-state-space.html
https://www.newscientist.com/article/mg24632862-300-exotic-fifth-state-of-matter-made-on-the-international-space-station/
https://www.sciencealert.com/we-ve-now-been-able-to-probe-a-cloud-of-the-fifth-state-of-matter-in-space
https://science.sciencemag.org/content/269/5221/198
https://www.colorado.edu/today/2001/10/08/bose-einstein-condensate-new-form-matter
