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氣態(tài)銣原子的速度分布數(shù)據(jù)，證實(shí)了1995年發(fā)現(xiàn)的玻色-愛因斯坦凝聚

玻色-愛因斯坦凝聚橫跨由經(jīng)典物理控制的日常世界與遵循量子力學(xué)規(guī)則的微觀世界。在量子力學(xué)的世界里，一個(gè)粒子可以表現(xiàn)得好像它同時(shí)朝兩個(gè)相反的方向旋轉(zhuǎn)，或者在兩個(gè)或更多的地方同時(shí)存在。由于玻色-愛因斯坦凝聚體遵循著某些量子行為，因此有望為科學(xué)家提供量子力學(xué)基本原理的關(guān)鍵線索，甚至有可能為建立“萬物理論”提供幫助，從而解釋宇宙在最小到最大的尺度上是如何運(yùn)行的。

現(xiàn)在，在世界各地的數(shù)百個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家已經(jīng)可以常規(guī)地制造出玻色-愛因斯坦凝聚。然而，阻礙這項(xiàng)研究的限制之一是地球的重力。這些“超級原子”極其脆弱，制造它們的裝置也極其精細(xì)，因此地球上的重力可能會把它們都破壞掉，從而很難對其進(jìn)行深入了解。

于是，研究人員在國際空間站開發(fā)并成功運(yùn)行了冷原子實(shí)驗(yàn)室，可以微重力條件下產(chǎn)生玻色-愛因斯坦凝聚。該實(shí)驗(yàn)室于2018年發(fā)射，體積很小，所需的能量相對較少，因此滿足了空間站的特定限制條件。在地球上，制造玻色-愛因斯坦凝聚所需的設(shè)備可以占據(jù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室，但冷原子實(shí)驗(yàn)室的體積只有約。4立方米，平均需要510瓦的電力。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員通過冷原子實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，微重力條件下玻色-愛因斯坦凝聚的自由膨脹時(shí)間超過了1秒，使可觀測時(shí)間大為延長，并提高了測量的精確度。相比之下，在地球上，科學(xué)家只有幾十毫秒的時(shí)間來完成同樣的任務(wù)。此外，在微重力條件下，科學(xué)家可以用更弱的力來捕獲凝聚物；這反過來意味著可以在更低的溫度下產(chǎn)生玻色-愛因斯坦凝聚，此時(shí)奇特的量子效應(yīng)會變得更加明顯。

到目前為止，研究人員已經(jīng)利用銣原子制造了玻色-愛因斯坦凝聚物。該研究的資深作者、美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)家羅伯特·湯普森（Robert Thompson）表示，他們最終打算加入鉀原子，來研究當(dāng)兩種凝聚態(tài)混合時(shí)會發(fā)生什么。此外，研究人員還試圖利用冷原子實(shí)驗(yàn)室制造出球形的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，這種形態(tài)只有在太空中才能出現(xiàn)。

“過去，我們對大自然內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制的主要見解來自粒子加速器和天文臺；在未來，我相信對冷原子進(jìn)行精確的測量將發(fā)揮越來越重要的作用，”湯普森補(bǔ)充道。他們的詳細(xì)研究結(jié)果發(fā)表在6月11日出版的《自然》（Nature）雜志上。

什么是玻色-愛因斯坦凝聚？

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）被稱為物質(zhì)的第五態(tài)，而前四種分別是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)。這種狀態(tài)是在接近絕對零度的低溫下形成的，而且只在表現(xiàn)得像玻色子的原子中形成。

玻色子是兩種基本粒子中的一種。當(dāng)玻色子原子冷卻形成凝聚態(tài)時(shí)，它們會失去自己的特性，其行為就像一個(gè)巨大的超級原子集團(tuán)，有點(diǎn)像在激光束中變得難以分辨的光子。1995年6月5日，美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼通過實(shí)驗(yàn)制造出了第一個(gè)玻色-愛因斯坦凝聚。四個(gè)月后，麻省理工學(xué)院的沃爾夫?qū)?middot;克特勒使用鈉-23獨(dú)立獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。2001年，康奈爾、威曼和克特勒分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

雖然玻色-愛因斯坦凝聚很難理解也很難制作，但它們具有許多非常有趣的特性。比如，它們可以達(dá)到異常高的光學(xué)密度差。一般來說，凝聚體的折射系數(shù)非常小，因?yàn)槠涿芏缺绕匠５墓腆w要小得多。但使用激光可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態(tài)，使其對一定的頻率的折射系數(shù)驟增。由此光速在凝聚內(nèi)的速度就會驟降，甚至降到數(shù)米每秒。

自轉(zhuǎn)的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射光不會逃離。玻色-愛因斯坦凝聚也可以用來“凍結(jié)”光，這些被“凍結(jié)”的光在凝聚分解時(shí)又會被釋放出來。