在太空新“樂園”玩轉量子力學

NASA冷原子實驗室上的設施將使用激光器和其他技術，將原子冷卻到絕對零度附近。

圖片來源：英國《自然》雜志官網

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量子物理學家即將在太空擁有自己的“游樂場”。據英國《自然》雜志官網8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室將于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，如在太空制造“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，主要目標是制造出名為“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云，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；然后，用磁場捕捉原子云；最后，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。

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后才運行，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，因為更復雜的實驗室版本出現了問題，影響了真空室并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——執行基于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并重新組合，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傳感器。

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，盡管裝備不足，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，由于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。

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）態的奇異的松散結合系統。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，盡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，康奈爾團隊也許能制造出由4個原子組成的此類結構——所謂的四聚體（tetramer）。

自1997年加入JPL，湯普森一直致力于創建這樣的太空實驗室。他認為，目前的實驗室是向更復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。