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在太空新“乐园”玩转量子力学

作者: 出自:无 加入时间:2018-05-10 点击数: 249 次  自动滚屏(右键暂停)


原标题:在太空新“乐园”玩转量子力学

 今日视点

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。

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。

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。

(科技日报北京5月9日电)

(责编:熊旭、吴亚雄)

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