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（BEC）。在 6 分鐘的自由落體時間内，BEC 上進行了 100 多次實驗。這标志着涉及 BEC 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。更重要的是，它還利用國際空間站的零重力操作 BEC，這将為多個物理領域的重要實驗敞開大門。

BEC 是具有整數量子自旋原子的集合體。這意味着這些原子不受泡利不相容原理的約束，而且當冷卻到接近絕對零度時，它們可以同時處于系統基态。因此，它們表現為單個宏觀量子的狀态。1995 年，首個 BEC 被造出，并從此在很多物理領域，包括從量子光學到宇宙學，都證明有實驗用途。

圖 | 被發射進入太空制造 BEC 的原子芯片（來源：德國航空航天中心）

和很多量子态一樣，BEC 非常脆弱，因此它作為重力和磁場等外力傳感器很有用。然而，這種脆弱性也意味着 BEC 會因與環境的接觸而輕易地被破壞。因此，研究人員非常謹慎地屏蔽了熱和電磁場。可是人們仍然無法屏蔽重力：“我們通常用原子幹涉儀來測量旋轉、加速等慣性力，”漢諾威萊布尼茲大學的丹尼斯·貝克（Dennis Becker）說，“如果有重力就會有很大的偏差。”

正如愛因斯坦著名的等效原理所指出的那樣，在自由落體中進行的實驗與零重力下進行的實驗是局部等效的。在這一理論的基礎上，2007 年恩斯特·拉塞爾（Ernst Rasel）和漢諾威萊布尼茲大學等機構的同事籌備并觀察了一個容器内的 BEC，它從在萊梅微重力研究中心（ZARM）146 米的落塔中做自由落體。研究人員注意到落塔中的凝聚态比地球上的固定實驗室穩定得多。然而，他們每天最多做三次實驗，而且凝聚态每次自由落體時間不到 5 秒。因此，科學家一直努力推動在地球軌道中創造 BEC。2018 年 5 月，NASA 将冷原子物理實驗室（CAL）發射到國際空間站。

在這項最新的研究中，貝克，拉塞爾和同事們将“原子芯片”加載到火箭上，通過不同的路線進入太空。原子芯片由包含有铷-87 原子的微米級磁光阱構成。芯片被放置在一個 3 米長的艙内，艙内有電子器件、激光器、電源等設備。它搭載 MAIUS-1 火箭，于 2017 年 1 月在瑞典發射到 243km 的高空。當火箭到達最高點時，研究人員立刻對這些原子進行強制蒸發冷卻——在僅僅 1.6 秒的時間内成功獲得包含有 105 個原子的 BEC。

在随後 6 分鐘的自由落體運動中，研究人員在凝聚态上完成了 110 次實驗。貝克解釋說，這是謹慎的前瞻性規劃和 AI 的共同成果。團隊對一系列實驗進行預編程，不同實驗間有一個參數在一直改變。“實驗儀器也會做部分實驗，但也會在一定程度上對其進行評估，這樣就能為下一次實驗帶來最大價值。”貝克說。

研究人員發現他們的結果與地球上類似的實驗拟合較好。

“對于‘是否存在沒有預測到的新的物理理論？’這一問題，我的回答是沒有，”貝克說，“但是這項任務的主要目标是讓該技術為未來任務做好準備，那時可能會有重大科學發現。”比如，在未來發射任務中，研究人員想獲得可用于測試等效原理的複合凝聚物。

“令人驚奇的是你可以在火箭在做實驗，”巴黎冷原子專家雅各布·雷切爾（Jakob Reichel）說。他補充說，這次實驗很有說服力，說明技術可以交由工程師做進一步開發。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!