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NASA宇宙探索:验证宇宙基本力理论
2018-08-08 09:12:01  出处:新浪科技  作者:任天 编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接

美国航空航天局(NASA)制造出了目前已知的宇宙最低温。国际空间站的研究团队利用一个装有激光器和真空室的“小盒子”,对原子进行超低温冷冻,试图更好地了解重力在最微小尺度上对物质的影响。他们首次在地球轨道上制造出了超低温的原子云,即玻色-爱因斯坦凝聚。

该研究的目标是为一个统一的宇宙基本力理论提供线索,或许还能为改进型传感器、量子计算机和太空导航中所用的原子钟的发展铺平道路。研究人员利用了国际空间站上的特殊舱室——冷原子实验室,在微重力条件下操纵超低温量子气体。所有原子的量子态都束聚于一个单一的量子态的状态被称为玻色-爱因斯坦凝聚,20世纪20年代,爱因斯坦和萨特延德拉·纳特·玻色首次对这一状态进行了预言。

冷原子实验室的温度计记录的最高温仅有100毫微开尔文,即绝对零度之上1开尔文(热力学温标记为K)的千万分之一。绝对零度即0K的状态,相当于摄氏温标零下273.15度(-273.15℃)。在理论上,所有粒子在这一温度时都会停止活动。冷原子是寿命很长、精确受控的量子粒子,科学家希望它们成为达到物理学中最虚幻目标之一——由爱因斯坦首先提出的关于4种基本力的统一理论——的关键。

有人认为,通过观察原子在几乎处于绝对零度时的行为,物理学家可以了解引力、弱相互作用、强相互作用和电磁相互作用的彼此关系。与其他三种力不同,引力可以在很大的范围上发挥作用,科学家对其在大尺度上的应用也了解得很清楚。我们不知道的是,4个基本力中最弱的引力如何与量子粒子相互作用,以及如何与其他3种基本力建立联系。

冷原子实验室于今年5月发射到了国际空间站,科学家希望它的启用能为了解引力在量子力学理论中扮演的角色提供线索。玻色-爱因斯坦凝聚在世界秩序中具有自己独有的位置,被定义为物质的第5种状态,不同于气体、液体、固体和等离子体。

冷原子实验室的设计目的是提高科学家对引力进行精确测量的能力,并研究引力如何在最小尺度上与这些独特的物质形态相互作用。原子的波动性质通常只能在显微水平上观察到,但玻色-爱因斯坦凝聚使这一现象变得宏观,因此也更容易进行研究。在冷原子实验室中,由于温度极低,使来自铷原子的粒子都处于最低能量状态,因此呈现相同的波动特性。

这使玻色-爱因斯坦凝聚的行为类似一个“超级原子”,而不是单一原子,进一步提高了这一现象的可见性。自1995年首次在实验室中被制造出来之后,科学家一直在地球上对玻色-爱因斯坦凝聚进行研究。当年参与研究的三位科学家在2001年时获得了诺贝尔奖。

接下来的多年时间里,科学家进行了数百次相关实验,有一些甚至是搭载火箭前往太空进行的。在地球上,研究玻色-爱因斯坦凝聚时需要关闭“原子陷阱”——由磁场或激光制成的零阻力容器——但地球的引力会在一瞬间摧毁这一状态。在国际空间站的冷原子实验室,微重力环境使科学家能够一次观察玻色-爱因斯坦凝聚5到10秒,更多的分析和测量成为可能。

冷原子实验室还使宇航员在一天内能完成多个不同的实验。“冷原子实验室是极其复杂的设备,”NASA喷气动力实验室天文和物理理事会首席工程师罗伯特·绍威尔说,“通常情况下,玻色-爱因斯坦凝聚实验涉及足以填满整个房间的仪器,并且要求科学家持续不断地监测,而冷原子实验室的大小与一台小型冰箱差不多,还可以从地球上远程操作。”

从2017年2月开始,罗伯特·绍威尔就在监督这一充满挑战性的项目。他说:“这是一个很困难的项目,需要付出巨大的努力来克服所有障碍,建立起今天在国际空间站上运行的复杂设施。”冷原子实验室由两个容器组成,包括较大的“四锁柜”和较小的“单锁柜”。除了由铷原子制造的玻色-爱因斯坦凝聚之外,冷原子实验室团队还在尝试利用两种不同的钾原子同位素来获得这一状态。

大统一理论

爱因斯坦在提出相对论之后,从20世纪20年代开始就致力于发展一种统一理论来融合广义相对论和电磁学。当时,这两个领域代表了两种已知的相互作用,即引力和电磁力。爱因斯坦指出,这两者的连接将使物理学家能够将已知宇宙的各个方面拼接到一起。

这样的理论描述了一个单一场,所有力在其中都相互介导,而且所有粒子的性质都可以被推导出来。当时科学家所知道的粒子只有电子和质子,中子的发现要等到1932年。

什么是玻色-爱因斯坦凝聚?

玻色-爱因斯坦凝聚是一种超低温的原子云,最初是在71年前由爱因斯坦和萨特延德拉·纳特·玻色提出。在玻色-爱因斯坦凝聚状态时,物质呈现为一种“超级流体”,其黏度为0。这也意味着,原子可以没有摩擦地移动,就好像它们是一种固体物质。此时,科学家可以观察到它们更像是波,而不是粒子,因为各排原子彼此移动时就像“神秘的波形”。研究人员希望,通过对玻色-爱因斯坦凝聚的研究,可以了解引力如何与最微小的粒子相互作用,以及其中蕴含的基本原理。

NASA宇宙探索:验证宇宙基本力理论

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