国际空间站的冷原子实验室空旷的太空极度寒冷

空旷的太空极度寒冷，但现在“寒冷之最”的桂冠已经让位于国际空间站。利用美国国家航空航天局的冷原子实验室，科学家们计划在空间站上创造出温度接近绝对零度（相当于-273.15℃）的超低温环境，从而可以在这样的特殊环境下开展量子力学方面的研究工作。为什么冷原子实验室要上天

文章图片

文章图片
2018年5月21日，在美国国家航空航天局沃洛普斯飞行基地，安塔瑞斯火箭载着“天鹅座”飞船发射升空。这次任务中最引人注目的是冷原子实验室，冷原子实验室是物理研究设备，它是由美国宇航局喷气推进实验室的科学家设计制造的，价值7000万美元，尺寸如家用冰箱大小。科学家将该设备运上空间站，旨在将该实验室置于微重力环境中，利用激光和磁力让“原子云”冷却到接近绝对零度的超冷温度，形成“超流体”物质状态，即玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），从而对移动非常缓慢的“原子”进行观察。科学家预计， “原子云”将在“超流体”状态下呈现出“神秘的波形” ，表现出许多令物理学家感兴趣的量子特征，这将导致有趣的新量子现象的发现。冷原子实验室
地球上也有冷原子实验室，也可以“制造”出BEC来，为什么要费这样大的力将它搬上太空呢？这是因为一个多世纪以来，观测原子是物理学的一项重大难题。由于地球引力的作用，原子运行速度无法被放慢，自由进化的原子速度无法让物理学家们细致地观察它们，因此科学家几乎没有机会来研究它们的量子特性。国际空间站没有重力的干扰，是开展此类实验的理想场所。物质第五态—玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）
目前物质存在的形态总共有6种，分别是气态、液态、固态、等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态。费米子凝聚态与玻色-爱因斯坦凝聚态都是物质在量子状态下的形态。
BEC是怎样产生的呢？如果我们让物质不断冷下去，一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度，在这样的极低温下，奇迹出现了：所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出彼此了！这就是物质的第五态—玻色-爱因斯坦凝聚态。
说起BEC ，还有一段故事：1924年，年轻的印度物理学家玻色提出了一种新的统计理论，它与传统的统计理论仅在一条基本假定上不同。在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子或分子都是可以被辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四…… ，并且不会将张三认成李四，也不会将李四误认成张三。玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上，我们根本不可能区分两个同类原子（如两个氧原子）有什么不同。接着，玻色讨论了如下一个问题：将N个相同的小球放进M个标号为1 ， 2……M的箱子中，假定箱子的容积足够大，有多少种不同的放法？在此问题的基础上，采用与传统统计相似的作法，玻色便得到了一套新的统计理论。但玻色的论文遭到退稿，他随后将论文寄给爱因斯坦。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手研究这一问题。他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级（能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列），但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样，具有完全相同的物理性质。后来物理学界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。打个比方，练兵场上的士兵刚解散不久，突然指挥官发令“向东齐步走” ，于是所有的士兵像一个士兵一样整齐地向东走去。如果将士兵缩小到原子尺度，以至于分辨不出谁是谁，我们便看到了BEC 。