在国际空间站探测第五态物质云(玻色-爱因斯坦凝聚态)

2018年7月，美国国家航空航天局(NASA)宣布了一项令人难以置信的成就。他们创造了太空中最冷的地方--就在绕地球轨道上的国际空间站上。

他们提取了一种名为铷的软金属的原子，并将其冷却到100纳米开尔文左右--比绝对零度高出10万分之一开尔文的温度。

这就产生了一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚态的超冷云团，这是一种奇异的物质第五态，可以帮助我们理解超冷原子的奇怪量子特性。但研究并未止步于此。

利用喷气推进实验室的冷原子实验室，科学家们继续生产出绝对零度以上不到纳米开尔文的玻色-爱因斯坦凝聚体-利用空间站上的微重力条件，比我们在地球上了解更多关于这种状态的信息。

玻色-爱因斯坦凝聚体是相当奇怪的。它们是由玻色子冷却到仅略高于绝对零度(但没有达到绝对零度，在绝对零度时原子停止运动)形成的。这会导致它们下沉到能量最低的状态，移动极其缓慢，并且聚集得足够近，足以重叠-产生一个高密度的原子云，其行为就像一个超级原子或物质波。

因为量子力学(其中每个粒子都可以被描述为波)更容易在原子尺度上观察，所以玻色-爱因斯坦凝聚体允许科学家在更大的尺度上研究量子行为，而不是试图研究单个原子。

利用激光冷却、磁场和蒸发冷却的组合，可以在地球上产生玻色-爱因斯坦凝聚体。最后一项技术是最后一步--原子被困在磁阱中，射频辐射被用来蒸发能量最高的粒子，把冷的、慢的粒子留在身后形成凝结物。

一旦发生这种情况，陷阱就会关闭，科学家就可以进行实验了。但它们必须迅速行动--原子之间的自然排斥力将导致云层膨胀和消散。重力意味着这个过程发生得相当快--只有几十毫秒。

然而，在自由落体中抵消了重力的影响后，你可以制造出可以持续一秒以上的玻色-爱因斯坦凝聚体。

此外，重力的降低意味着凝析油可以在较浅的碟子中形成。这为研究人员提供了一个更好的窗口来观察云层，无论是在云层发布之前还是发布后的短暂时间内都是如此。

这就是研究人员利用冷原子实验室所取得的成果--但是当他们探测他们产生的凝析油时，他们发现了在地球引力下不可能发生的效应。

他们在论文中写道，我们发现射频诱导的蒸发冷却在微重力下显示出明显不同的结果。

我们观察到在轨原子数增加了近三倍。通过施加不同的磁场梯度，我们确认大约有一半的原子处于磁钝感态|2，0⟩，在磁阱位置周围形成晕状云。

在地球上，重力是作用在这些原子上的主导力量，将它们从陷阱周围移走。

在太空中，能够更仔细地观察凝聚物，就会发现一个由松散的铷原子组成的光晕在云层的边缘徘徊。由于材料冷却的方式，这些原子几乎没有注意到磁阱。

重力通常会把它们拉到一边，至少在地球上是这样。但在自由落体状态下，他们却徘徊不前，为未来的研究提供了一种潜在的有用的超低温资源。

生产更冷、更持久的玻色-爱因斯坦凝聚体的可行性也意味着我们可以开始考虑研究它们的其他方法。例如，可以创建在地球上不可能的陷阱形状，以观察是否可以观察到不同的量子行为。

玻色-爱因斯坦凝聚体的波动特性对原子干涉仪也有潜在的帮助，原子干涉仪可以用来测量基本的物理常数。

我们已经使用CAL在低地球轨道上的基线能力来展示微重力对超冷原子实验的直接和基本的好处。研究人员在他们的论文中写道，这些实验是潜在的数年科学操作的开始，随着时间的推移，仪器的额外功能将被使用。

CAL仪器的未来模块升级可用于更长的任务研究，包括由喷气推进实验室建造的以原子波干涉仪为特色的科学模块。此外，后续飞行任务的有效载荷正处于提议和开发阶段，以确保超冷原子在轨道上的持续存在和应用。