本周，Nature 發表的一篇論文報告了在國際空間站上産生的第五種物質狀态——玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate）。太空中的微重力環境讓科學家得以在這種奇異物質狀态中探索基礎物理學。

玻色-愛因斯坦凝聚是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時所呈現出的一種物質狀态。

在這樣的低溫下，原來不同狀态的原子突然“凝聚”到同一狀态，成為具有量子特性的單一實體，是宏觀相對論和微觀量子完美統一的理論體系。

100 年前，薩特延德拉·納特·玻色（ Satyendra Nath Bose ）和阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）以玻色關于光子的統計力學研究為基礎，對這個狀态做了預言。

地球上，首次實現的玻色-愛因斯坦凝聚出現在 1995 年，先後由兩支團隊完成：科羅拉多大學博爾德分校的埃裡克·康奈爾（Eric Cornell）和卡爾·威曼（Carl Wieman）團隊在 6 月将铷原子氣體冷卻至 1.7×10-7 K 實現。

四個月後，麻省理工學院（MIT）的沃爾夫岡·凱特爾（Wolfgang Ketterle）制備了含鈉原子的玻色-愛因斯坦凝聚。

此三人也因他們的研究結果共享 2001 年諾貝爾獎物理，頒獎詞中描述道：玻色-愛因斯坦凝聚的研究擴展了人們對量子物理學的理解，并引發了新的物理效應的發現。現在全世界已經有數十個實驗室實現了8種元素的玻色-愛因斯坦凝聚，相關研究迅速發展，觀察到了一系列新的現象，如玻色-愛因斯坦凝聚中的相幹性、約瑟夫森效應、蝸旋、超冷費米原子氣體、超流體、超導體等研究。而在實際應用方面，玻色-愛因斯坦凝聚在芯片技術、精密測量和納米技術等領域都有光明的應用前景。

盡管理論預言早已有之，現實的實驗驗證還是等到了關鍵實驗技術升級後才出現。

突破之一是激光冷卻和俘獲技術，激光束的輻射壓通過降低原子的速度來冷卻和定位原子。對于這項工作，法國物理學家克勞德·科恩·坦努吉（Claude Cohen-Tannoudji）和美國物理學家史蒂文·朱（Steven Chu）、威廉·菲利普斯（William D. Phillips）共享了1997年的諾貝爾物理學獎。

第二個突破是對磁約束的改進，以便在沒有容器的情況下将原子固定在适當的位置。

然而，即使技術已經能夠在地球上實現玻色-愛因斯坦凝聚，但是由于重力的影響，科學家對于玻色-愛因斯坦凝聚一直難以實現精準測量。于是，科學家們就圍繞創造微重力和無重力環境進行讨論，2018 年由德國物理學家帶領的國際科研團隊在太空中制造出了玻色–愛因斯坦凝聚态。

在 6 分鐘的自由落體時間内，研究團隊進行了 100 多次實驗。這标志着涉及玻色–愛因斯坦凝聚态的微重力實驗有了顯著進步，而之前在落塔内進行的自由落體微重力實驗隻能維持數秒。

但是，科學家們顯然對于 6 分鐘的實驗時間并不滿足。

來自加州理工學院的羅伯特·湯普森（Robert Thompson）及同事報告了為了克服這些限制，在國際空間站上啟動并成功運行的冷原子實驗室（Cold Atom Lab）。

說起來雲淡風輕，但是在國際空間站實現高精度的物理實驗還是一件十分困難的事情。實驗的儀器的要求十分嚴苛，除了要達到設計的技術參數和足夠高的精度，還需要十分堅固，并且所占的空間、質量和消耗功率都要盡可能小。除此之外，儀器可靠性的要求也非常高，一般要求能夠運行好幾年，要知道在太空中儀器可不好維護。最終，實驗設備搭載于 2018 年 5 月 21 日發射的“ OA-9 Antares 230 rocket ”升空到達國際空間站，并于同年 6 月投入使用。

研究成果以論文的形式發表，文中他們描述了在微重力條件下制備的铷原子在低溫條件下實現玻色-愛因斯坦凝聚，并測量了它們與在地球上觀測到的玻色-愛因斯坦凝聚之間的特性差異。

例如，前者的自由膨脹時間達到了1.118秒，而後者一般隻有幾十毫秒。這意味着在太空中，對于玻色–愛因斯坦凝聚态的可觀測時間得到了延長，可以提高測量的精準度。

此外在太空中呈現玻色-愛因斯坦凝聚的原子數量較地球上增大到了三倍，并且在微重力條件下，原子能被較弱的力捕捉，從而有可能達到較低的溫度，此時奇異的量子效應就會變得愈加明顯，有利于進一步的量子物理實驗探究。

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