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準备打破宇宙最低温纪录,NASA 冷原子实验室温度将比太空冷上亿倍

2020-07-22

準备打破宇宙最低温纪录,NASA 冷原子实验室温度将比太空冷上亿倍

地球上办不到的实验就移去外太空做!美国太空总署日前正式将冷原子实验室(Cold Atom Laboratory,CAL)送上国际太空站,这个只有冰箱大小的有效载荷将尝试把气体云冷却至比外太空真空环境还要低上亿倍的惊人温度,以帮助科学家一探超冷原子的奇怪量子特性。

冷原子实验室(CAL)由 NASA 喷射推进实验室(JPL)设计製造,为一物理研究设施,已于美东时间 5 月 21日凌晨 4 点 39 分搭着 Orbital ATK 火箭出发前往国际太空站(ISS)对接,主要工作是负责将气体原子云温度冷却至 0.0000000001K(或 100picoKelvin),然后使用磁体来捕捉运动减慢的原子,让科学家可更长时间观察微观量子现象。

在这种极端低温下,粒子物质波的波长很长、粒子与粒子间的物质波有很大部分重叠,形成一种称为玻色─爱因斯坦凝聚(BECs)的物态,也就是玻色子粒子冷却到接近绝对零度(0K)时,呈现出一种气态、零黏度的超流体状态,此时我们熟悉的物理规则退到幕后,量子力学开始接管,我们会看到原子行为不再像粒子,反而更像波浪。

玻色─爱因斯坦凝聚于 1995 年首次经实验证实,当时环境温度被降至只有 1.7×10-7 K,远小于外太空宇宙背景辐射温度 3K,整个已知宇宙中都不存在如此低温的环境,目前,自然界中已知温度最低之处位在回力棒星云(Boomerang Nebula,亦称领结星云),距离地球 5,000 光年,温度经测量只有 1K(−272.15°C)。如果想製造出极低温环境,主要技术为雷射冷却和蒸发冷却,而 CAL 即是利用雷射、电磁来消除气体粒子动能,直至趋近不动。

準备打破宇宙最低温纪录,NASA 冷原子实验室温度将比太空冷上亿倍

迄今为止发现在宇宙中最冷的物体回力棒星云。

虽然玻色─爱因斯坦凝聚已在地球实验成功,但地球重力不断拉沉原子,导致科学家只能在几分之一秒内观察到这种现象;如果来到国际太空站,超冷原子就可以在几乎零重力环境中保持波浪形状至少 5~10 秒,未来随着技术发展,或许可以持续数百秒;研究人员还能够远程操作 CAL,每天实验最多达 6.5 小时。

实验结果最终可能会改进许多尖端技术,包括用于太空探测器导航的感测器、量子计算机和原子钟;当然最令人兴奋的还是帮助科学家解开暗能量谜团、促进对重力基本性质的理解。


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