物质的第五种状态，在太空中被制造出来了

计算机模拟的玻色-爱因斯坦凝聚（图片来源：NASA/NIST）

玻色-爱因斯坦凝聚是已知的第五种物质状态。20多年前，科学家已经在实验室中制备出这种状态，但这种不稳定的状态持续时间太短，因此科学家难以加以应用。最近，NASA科学家首次在国际空间站制备出玻色-爱因斯坦凝聚——在这样的微重力环境中，玻色-爱因斯坦凝聚可以延续更长的时间，因此可以被用于研究其量子性质。

编译 | 贺白

编辑 | 吴非

制备第五种状态

物质有哪些状态？我们熟悉的物质状态包括固态、液态、气态和等离子体，而早在20世纪20年代初，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和印度数学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）就预言了物质的第5种状态——玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate，简称BEC）。

玻色-爱因斯坦凝聚非常奇特，这种状态是玻色子原子冷却到略高于绝对零度时形成的。这会导致它们下沉到能量最低的量子态，移动非常缓慢，并且靠近到可以重叠，从而产生一个高密度的原子云。这时的物质状态不再表现为单个原子和粒子，而是一个处于量子态的实体，表现出统一的状态。

不过，物理的实验要追赶上理论，有时需要一点时间。在玻色-爱因斯坦凝聚的理论预测诞生70多年后，这种状态真正地在实验室中被制造出来。

1995年，埃里克·康奈尔（Eric Cornell）和卡尔·威曼（Carl Wieman）等人在美国天体物理学联合实验室（JILA）成功制备了玻色-爱因斯坦凝聚。他们利用磁场约束原子，同时通过激光冷却和磁势阱蒸发冷却，使系统温度降到足够低。这时，将大量玻色子塞进一个微观的磁势阱中，它们的波可以重叠形成单一的物质波，这种性质被称为量子简并。在将约2000个稀薄气态的铷-87原子的温度降低到170 nK后，玻色-爱因斯坦凝聚出现了。这种状态在玻璃试管中产生，直径大约20微米。康奈尔和威曼发现的气态的玻色-爱因斯坦凝聚呈现出许多超流体的特性。

4个月后，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）使用钠-23独立地获得了玻色-爱因斯坦凝聚。克特勒制备的玻色-爱因斯坦凝聚含有的原子数量，是康奈尔和威曼实验中的约100倍，这样他可以用该状态获得一些非常重要的结果，比如观测两个不同凝聚之间的量子衍射。2001年康奈尔、威曼和克特勒因相关研究同时获得诺贝尔物理奖。

对物理学家来说，玻色-爱因斯坦凝聚的特殊性质有着重要意义。玻色-爱因斯坦凝聚使科学家能够将微小尺度的量子现象放大到宏观尺度上，从而用来研究量子行为及相关规律，而不仅仅是研究单个原子。

但是，与普通的物质状态相比，玻色-爱因斯坦凝聚非常不稳定。其与外界极其微弱的相互作用就足以使它们加热到超出临界温度，分解为单一原子的状态，这也在很大程度上限制了它的应用。

冷原子实验室

如何提升对玻色-爱因斯坦的观测能力？NASA喷气推进实验室（JPL）的罗伯特·汤普森（Robert Thompson）想到了太空环境。

在实验室观测玻色-爱因斯坦凝聚时，为了进行观测研究，研究人员需要解除磁势阱。但失去束缚的原子开始相互排斥，导致原子云四散消失，玻色-爱因斯坦凝聚变得过于稀薄因而无法探测。而要延长观测时间，就需要更浅的磁势阱。

在地球上的实验室中，重力的存在使得实验需要制造较深的磁势阱。这时，汤普森和团队成员意识到，国际空间站中的微重力环境，使他们能够用铷在比地球上更弱的磁阱中制造出玻色-爱因斯坦凝聚，因而在膨胀消失前可被研究的时间大幅增加了。

冷原子实验室（Cold Atom Laboratory）于2018年被发射到国际空间站，汤普森和同事们一直在通过机器工作远程操纵冷原子实验室。近期，研究小组在《自然》杂志上公布了国际空间站上玻色-爱因斯坦凝聚实验的首批结果，展示了在地球上和国际空间站上的玻色-爱因斯坦凝聚属性的惊人差异。

最显著的差异来自观测时间的提升。与在地球上通常只有几十毫秒的自由膨胀时间（在关闭陷阱后，原子盘旋并能被测量的时长）相比，在国际空间站上可以超过一秒。这给研究小组提供了前所未有的机会来研究它们的性质。

除了自由膨胀时间的提升，国际空间站的微重力环境还允许原子被较弱的磁场操纵，加快了它们的冷却速度，适用地球上无法使用的磁势阱类型，并允许更清晰的成像。

汤普森说：“最重要的是，我们可以观察到原子在完全不受外力约束（因此也不受外力干扰）的情况下漂浮。”

研究小组负责人戴维·阿夫利娜（David Aveline）说：“在微重力下研究玻色-爱因斯坦凝聚提供了许多研究机会。其应用范围从广义相对论的测试，暗能量和引力波的搜索，到航天器导航，以及在月球和其他行星体上寻找地下矿物。”能够在空间站上生成并维持玻色-爱因斯坦凝聚，有望使高精准测量基本量子效应成为可能。

原始论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1

参考链接：

https://phys.org/news/2020-06-quantum-state-space.html

https://www.newscientist.com/article/mg24632862-300-exotic-fifth-state-of-matter-made-on-the-international-space-station/

https://www.sciencealert.com/we-ve-now-been-able-to-probe-a-cloud-of-the-fifth-state-of-matter-in-space

https://science.sciencemag.org/content/269/5221/198

https://www.colorado.edu/today/2001/10/08/bose-einstein-condensate-new-form-matter