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NASA将发冷原子实验室 探测地球无法观察的量子现象

来源:网络 作者:上海新闻网 人气: 发布时间:2018-05-10
摘要:量子物理学家即将在太空拥有自己的“游乐

  量子物理学家即将在太空拥有自己的“游乐场”。据英国《自然》杂志官网5月8日消息,美国国家航空航天局(NASA)的冷原子实验室将于5月20日发射升空,进入国际空间站。届时,它将成为目前宇宙中最冷的地方,研究人员将用它探测在地球上无法观察到的量子现象,如在太空制造“泡泡”“环”和“漩涡”等,从而以前所未有的方式“玩转”量子力学。

  研究人员指出,这可能促使科学家发现新物理学,推进前沿物理学的发展。

  宇宙间最冷之地:量子力学的“乐园”

  该实验室由NASA的喷气推进实验室(JPL)负责。研究人员称,冷原子实验室耗资8300万美元,主要目标是制造出名为“玻色—爱因斯坦凝聚体(BEC)”的独特“超流体”物质态,供科学家研究宏观尺度上的量子力学。

  BEC是数十万个原子组成的云,当被冷却到绝对零度附近时,数十万个原子的行动保持同步,就像单一的量子物体一样。该任务项目经理、喷气推进实验室的卡姆尔·奥德瑞自豪地表示:“能够在太空进行这些实验是一项巨大的成就。”

  在地球上,一般情况下,重力在几秒钟之内就会让BEC分崩离析。但如果它们漂浮在国际空间站,应该能“存活”至少10秒钟。这一时间足够让它们被冷却到创纪录的低温——可能只比绝对零度高20万亿分之一摄氏度。

  奥德瑞说,这是宇宙中已知最冷的温度。美国国家标准与技术研究院(NIST)原子物理学家格雷琴·坎贝尔说,更冷且更“长寿”的BEC将“推动前沿基础物理领域的研究,15年来,科学家一直期盼会产生新的物理学。”

  麻雀虽小五脏俱全:工具包大小的实验设备

  国际空间站可谓“寸土寸金”,所以工程师不得不压缩原子物理设备的大小,将填满一个大房间的设施压缩到一个冷藏箱大小的箱子内。该设备利用激光来冷却铷和钾原子,使它们几乎停滞不动;然后,用磁场捕捉原子云;最后,科学家将使用其他冷却技术——包括无线电波“刀”来剥离能量最高的原子等,将原子云冷却到更接近绝对零度的温度,从而创造出BEC。

NASA冷原子实验室内,激光器和其他技术将原子冷却到绝对零度附近。来源:英国《自然》杂志官网

  此外,工程师还必须设计屏蔽层,以保护脆弱的BEC免受密集组件和不断变化的地球磁场的干扰。而且,实验只有在国际空间站上的科研人员睡觉之后才运行,以尽量减少任何运动可能造成的干扰。

  该技术比最初设想的要简单,因为更复杂的实验室版本出现了问题,影响了真空室并且可能会导致项目延期,这导致物理学家暂时无法实现他们的最终目标——执行基于太空的原子干涉测量,这个过程会将BEC的量子波分成两部分并重新组合,得到的干涉图案让科学家可以更精确地分析重力的影响,也能让他们测试BEC是否可用作极为灵敏的旋转和重力传感器。

  不过,该任务科学家、JPL的罗伯特·汤普森说,更高级的套件应该会在2019年底到达国际空间站。

  玩转量子力学:气泡、环和漩涡

  汤普森说,尽管装备不足,但物理学家仍可就目前的情况发现新物理学。届时,将有5支研究团队使用这一实验室进行实验。其中一个团队计划使用无线电波和磁场,让BEC形成约30微米的气泡形。根据量子力学,由于气泡既纤薄又没有边缘,BEC的行为应与地球上形成圆盘或球体时的行为迥然不同。

  冷原子实验室被用于研究处于国际空间站得微重力环境下的超冷的量子流体。来源:英国《自然》杂志官网

  史密斯学院理论物理学家科特尼兰·内特说,它可能更容易形成一种名为“涡流”的旋涡。在地球上,当流体下落时,试图产生气泡的过程总是以碗形状结束。她说:“除非我们能摆脱重力,否则我们根本无法获得这种形状。”

  科罗拉多大学的埃里克·康奈尔与他人共同发现BEC而荣获2001年诺贝尔物理学奖,此次,他领导的团队将尝试创造出被称为“埃菲莫夫”(Efimov)态的奇异的松散结合系统。这一物质形态以1970年提出其存在的俄罗斯理论物理学家维塔利·埃菲莫夫的名字命名,在原子结合力太弱而不能结成对,从而形成“三人组”的情况下,这些量子态会突然“现身”。这一结构与著名的拓扑结构博罗米尔(Borromean)环类似。乍看上去,博罗米尔环是三个互锁的环,但细看则不然:没有两个环是互锁的。如果打断任一个环,整个结构就分开了。只有保持三个环都完整,这些环才能结合在一起。

  核物理学家对这一结构非常感兴趣,因为它们与由中子和质子构成的罕见的三粒子核类似,而科学家目前对三粒子核知之甚少。

  康奈尔团队希望创造最简单的埃菲莫夫态,以及其受激发的膨胀态。在受激发的埃菲莫夫态中,尽管原子间存在细菌大小的缝隙,但其彼此依附。华盛顿州立大学铂尔曼分校的物理学家玛伦·莫斯曼说,康奈尔团队也许能制造出由4个原子组成的此类结构——所谓的四聚体(tetramer)。

  自1997年加入JPL,汤普森一直致力于创建这样的太空实验室。他认为,目前的实验室是向更复杂的太空原子物理实验室迈出的关键一步。NASA正与德国航空航天中心(DLR)携手建造一个名为BECCAL(玻色-爱因斯坦冷凝体和冷原子实验室)的设施。

  (原标题:在太空新“乐园”玩转量子力学)

责任编辑:上海新闻网
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