颠覆人类认识宇宙方式 美国太空创造第五态 刷新宇宙最低温

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近日，《Nature》杂志发表了一项物理学重磅研究：科学家们在太空中首次创造了“物质的第五态”——玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），并成功刷新了宇宙中的最低温度。

去年1月，研究人员将一块由铷-87原子制成的微型芯片发射到离地面200公里外的地球轨道上。任务很简单，芯片只需要在这个高度上保持六分钟的微重力，那个时候，这块芯片刷新了太空中物质的最冷记录，但这个记录很快就被再次打破了。

德国的研究者们设计了110个类似的实验，其中在瑞典的基鲁纳启动的微重力下的物质波干涉测量（MAIUS 1）实验是其中一个。这些任务旨在研究一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的物质在微重力条件下的特殊状态。

原子在重力作用下随着能量而运动，但一旦能量消失，它们就进入了静止状态，最终变为一组具有相同特征的原子或转为量子态。让粒子进入静止状态的方法，通常是将其束缚在“磁陷阱”中，同时让激光能在绝佳时机击中它，这有点像我们在某个恰当的点去击中正在荡秋千的人一样。一旦粒子静止，磁陷阱就可以关闭，实验就可以开始了。由于没有了重力的影响，研究人员就会有更多的时间进行更复杂的实验。

MAIUS 1则是第一次尝试在自由落体中创造出玻色-爱因斯坦凝聚态。

通常，BEC需要一个特殊的设备来冷却原子。NASA的研究人员想到的解决办法正是由探测火箭将一块含有铷原子的微型芯片送到离地面243公里外的高空，在那里，芯片中的原子能冷却到-273.1499999…摄氏度。

这比已知的飞镖星云的温度更低，也是我们目前所知的自然界中最寒冷的物体。顷刻之间，铷原子云成为了宇宙中最冷的物质。

在加速返回地球之前，火箭经历了六分钟的失重状态。总的来说，研究小组用各种不同的方法测量重力如何影响捕获和冷却过程，以及铷-87原子云在自由落体时会发生怎样的变化。

为了探测像黑洞和中子星这样 “怪物”一般的天体在太空中产生的一点波动（引力波），天体物理学家们使用激光将铷原子云分成两半，然后让它们重新组合。这些原子有着相同的量子态——包括其波状的性质，所以当它们合并时，两者之间出现的任何差异，都表明这种差异是由外部因素引起。

试验结果表明，BEC可以提供一种全新的方法来检测这些宇宙中形成的“引力波”，并获取到不同频率的电信号。这一发现有可能将在未来颠覆我们认识宇宙的方式。

在地球上，并没有足够的时间来确定准确的读数。但在自由落体中的BEC，至少在理论上，能够吸收一定程度的引力波。

几个月前，NASA宣布了他们在国际空间站（ISS）上建立了一个BEC。虽然它不是第一个在低重力环境下创造的BEC，但国际空间站的冷原子实验的记录在超冷实验期间就被它自己打破了。

随着世界各地的研究人员完成了一个又一个MAIUS实验，超冷研究将带领我们进入入太空探索的新时代。

参考文献：Space-borne Bose–Einstein condensation for precision interferometry, Nature, volume 562, pages391–395 (2018)