注册| 登录

BEC实验即将搬上太空,制作高度灵敏的旋转和重力传感器

2018-05-10

量子物理学家即将在太空拥有自己的“游乐场”。据英国《自然》杂志官网8日消息,美国国家航空航天局(NASA)的冷原子实验室(Cold Atom Laboratory)将于5月20日发射升空,进入国际空间站。


届时,它将成为已知宇宙中最冷的地方,研究人员将使用它探测在地球上无法观察到的量子现象,在太空制造“泡泡”、“环”和“漩涡”等,以前所未有的方式“玩转”量子力学。


研究人员指出,这有可能促使科学家发现新物理学,推进前沿物理学的发展。


宇宙间最冷之地 量子力学的“乐园”

该实验室由NASA的喷气推进实验室(JPL)负责。研究人员称,冷原子实验室耗资8300万美元,主要目标是通过制造出名为“玻色—爱因斯坦凝聚体(BEC)”的独特“超流体”物质态,从而供科学家研究宏观尺度上的量子力学。


93A7535AEC20AA3FCB19EF03FB302D732F64B276_size30_w500_h329_副本.jpg


BEC是数十万个原子组成的云,当被冷却到绝对零度附近时,数十万个原子的行动保持同步,就像单一的量子物体一样。该任务项目经理、喷气推进实验室的卡姆尔·奥德瑞接受《自然》杂志采访时自豪地表示:“我认为,能够在太空进行这些实验是一项巨大的成就。”


在地球上,一般情况下,重力在几秒钟之内就会让BEC分崩离析。但如果BEC漂浮在国际空间站上,它们应该能“存活”至少10秒钟。这一时间足够让它们被冷却到创纪录的低温——可能只比绝对零度高20万亿分之一摄氏度。


奥德瑞说,这将是宇宙中已知最冷的温度。美国国家标准与技术研究院(NIST)的原子物理学家格雷琴·坎贝尔说,更冷且更“长寿”的BEC将“推动前沿基础物理领域的研究,15年来,科学家一直期盼会产生新物理学。” 


麻雀虽小五脏俱全 压缩到工具包大小

国际空间站可谓“寸土寸金”之地,所以聪敏如NASA的工程师不得不缩减原子物理设备的大小,将填满一个大房间的设施“压缩”到一个冷藏箱大小的箱子内。


所谓“浓缩的都是精华”,该冷原子实验室拥有激光器、真空室和一把无线电波“刀”。首先,激光会冷却铷和钾原子,使它们几乎停滞不动;然后,磁场捕捉原子云;使用其他冷却技术——包括无线电波“刀”来剥离能量最高的原子等,将原子云冷却到更接近绝对零度的温度,从而创造出BEC。


EA88C801825FCE5794867AB3CA49A5D972A7D030_size10_w542_h277_副本.jpg


NASA冷原子实验室内,激光器和其他技术将原子冷却到绝对零度附近。来源:英国《自然》杂志官网


此外,工程师还必须设计屏蔽层,以保护脆弱的BEC免受密集组件和不断变化的地球磁场的干扰。而且,实验只有在国际空间站上的科研人员睡觉之后才运行,以尽量减少任何运动可能造成的干扰。


研究人员称,目前的设备比最初设想的要简单——因为更复杂的实验室版本出现了一个问题,影响了真空室并导致项目可能延期,这就使得物理学家暂时无法实现他们的最终目标:在太空进行原子干涉测量——将BEC的量子波分成两部分并重新组合,得到的干涉图案让科学家可以以更精确的精度分析重力产生的影响;以及测试BEC是否可用作高度灵敏的旋转和重力传感器。


不过,该任务科学家、JPL的罗伯特·汤普森说,更高级的套件应该会在2019年底到达国际空间站。


玩转量子力学 气泡、环和漩涡

汤普森说,尽管装备不足,但物理学家仍然可因陋就简,就目前的情况发现新物理学。届时,五支研究团队将使用这一实验室进行实验。


ADB9E99AC07E86B15E831D87BFC2925DEA1716A5_size54_w549_h489_副本.jpg

冷原子实验室被用于研究处于国际空间站得微重力环境下的超冷的量子流体。来源:英国《自然》杂志官网


汤普森介绍说,一支团队计划使用无线电波和磁场让BEC形成约30微米的气泡形。量子力学指出,因为气泡既纤薄又没有边缘,BEC的行为应与地球上形成圆盘或球体时的行为迥然不同。史密斯学院理论物理学家科特尼兰·内特解释称,例如,它可能更容易形成名为“涡流”的旋涡。在地球上,当流体下落时,试图产生气泡的过程总是以碗形状结束。她说:“除非我们能摆脱重力,否则我们根本无法获得这种形状。”


2001年,科罗拉多大学的埃里克·康奈尔与他人共同发现BECs而荣膺诺贝尔物理学奖,此次,他领导的团队将尝试创造出被称为“埃菲莫夫”(Efimov)态的奇异的松散结合系统。


这一物质形态以1970年提出其存在的俄罗斯理论物理学家维塔利·埃菲莫夫的名字命名,在原子结合太弱而不能成对结合,而能形成“三人组”的情况下,这些量子态会突然“现身”。这一结构与著名的拓扑结构博罗米尔(Borromean)环类似。乍看上去,博罗米尔环是三个互锁的环,但细看则不然:没有两个环是互锁的。如果打断任一个环,整个结构就分开了,只有所有的三个环都保持,这些环才能结合在一起。


核物理学家对这一结构非常感兴趣,因为它们与由中子和质子构成的罕见的三粒子核类似,而科学家目前对三粒子核知之甚少。


康奈尔团队希望创造最简单的埃菲莫夫态,以及受激发的版本。华盛顿州立大学铂尔曼分校的物理学家玛伦·莫斯曼说,康奈尔团队也许能制造出由四个原子组成的此类结构——所谓的四聚体(tetramer)。


自1997年加入JPL,汤普森一直致力于创建这样的太空实验室。他认为,目前的实验室是向更复杂的太空原子物理实验室迈出的关键一步。他说,NASN正与德国航空航天中心(DLR)携手建造一个名为BECCAL(玻色-爱因斯坦冷凝体和冷原子实验室)的设施。


(来源:科技日报)

收藏 评论:0
没有ID?去注册 忘记密码? 已有账号,马上登陆

添加表情