国际空间站上产生的超冷物质

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知道：最惊人的太空实验始于国际空间站。


美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室（CAL）于5月份安装在该站上，产生了超冷原子（也称为玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC））的悬浮液。 重量的温度比绝对零高出几分之一，这是理论上颗粒在任何物质中停止热运动的温度。 以前，此类实验仅在地球上进行。


在国际空间站上，美国国家航空航天局冷原子工厂将产生超冷原子，用于在微重力条件下进行量子物理学领域的实验。 原子被冷却到比绝对零高出十分之一度的温度（平均而言，它比深空的温度低一百亿倍）。 物理学家认为，在如此低的温度下观察粒子的异常行为将为有关物质基本结构的问题提供答案。

CAL是一种多用户装置，旨在研究微重力中使用超冷原子的世界基础。 “冷”原子是长寿命的粒子（按量子标准），可以高精度控制。 因此，它们是考虑量子现象和量子技术潜在应用的理想选择。

这种仪器是第一次进入轨道。 预计它将成为用于超精确测量引力场，研究长期存在的量子物理学问题和理解物质的波动性质的有力工具。


一系列图表显示了原子悬浮液密度随温度降低（从左到右）直至接近绝对零的变化。 在最后阶段出现一个尖峰，表明形成了玻色-爱因斯坦冷凝物（物质的第五种状态），该冷凝物出现在130纳开尔文左右的温度下。 资料来源：NASA / JPL-Caltech

CAL项目的首席专家，加利福尼亚州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室（JPL）的物理学家罗伯特·汤普森说：“有机会在国际空间站上进行BEC实验是一个梦想，这一梦想终于实现了。”漫长而艰辛的旅程，但投入的所有努力将获得一百倍的回报，因为这种装置为我们提供了最广阔的体验领域。”

上周，与CAL合作的科学家证实了from原子产生的冷凝物的温度约为100纳开尔文。 它比太空中的平均温度低（大约3开尔文，即-270摄氏度）。 但是，这不是极限-甚至与地球实验室中获得的温度相比，有望获得更低的温度。

在这些温度下，原子的行为开始不同于我们已知和观察到的任何其他事物。 BEC被称为“物质的第五种状态”，从而将其与固体，液体，气体和血浆分离。 因为凝结原子的行为比粒子更像波。 物质的波动性质只能在极小规模的现象中观察到，但是BEC使它们更加引人注目-因此更易于分析。 超冷原子处于能量最小的状态，并且处于相同的波动状态，彼此之间无法区分。 原子云开始完全表现为单个孤立的“超级”。

难题

CAL由两个标准化单元组成，将安装在ISS上。 大块被戏称为“四室冰箱”，小块被称​​为“单室”。 大并包含产生超冷原子的所有填充物。 资料来源：NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

JPL物理与天文学系首席工程师Robert Shotwell解释说：“这真是个复杂的工具。他自2017年2月以来负责所有安装工作。我们制造了一种不超过便携式冰箱的设备，可以从地球上控制它。 “我们不得不打破很多障碍，并付出了很多努力才能使这个拼图块最终出现在今天的空间站上。”

尽管该现象本身是在71年前的物理学家Chatyatranat Bose和Albert Einstein预测的，但早在1995年就获得了第一份Bose-Einstein冷凝物。 2001年，埃里克·康奈尔（Eric Cornell），卡尔·怀曼（Karl Wyman）和沃尔夫甘克·凯特尔（Wolfgank Ketterle）因在实验室中创造和研究BEC的特性而获得了诺贝尔物理学奖。 明年，包括康奈尔和凯特勒领导的五个科学小组将进行冷原子实验。 从九十年代中期开始，全世界的科学家都进行了数百次这样的实验。 它们中的大多数都在地球上，但有几次是在短途飞行中-搭载在地球物理火箭上。 最后，科学提供了一种在ISS上长时间长时间每天进行冷凝水实验的方法。

BEC在无形的“原子陷阱”中产生，该陷阱由磁场或激光产生。 当陷阱在地球引力场中关闭时，超冷原子几乎立即被吸引散射，因此可以仅在一瞬间观察到它们。 但是，在微重力条件下，会存在五到十秒的悬浮； 总共，科学家每天累积长达六个小时的观察。

疏水阀内部的压力一旦下降，温度自然就会降低。 原子云在陷阱中停留的时间越长，它变得越冷。 那些使用喷漆罐工作的人都熟悉这种现象-喷漆罐由于压力下降而冷却。 在微重力作用下，冷凝水压力下降到极小的值，这又将温度降低到地球仪器无法达到的值。 日复一日，安装工作无需站台人员任何干预。


这是Bose-Einstein冷凝物在CAL内部产生的地方。 资料来源：NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

从rub中获得BEC后，研究小组将使用两种不同钾同位素的原子。 实际上，CAL目前正在进行调试，因此进行了一系列测试，以找出该设备在微重力条件下的工作情况。

JPL CAL任务负责人Kamal Odrihiri说：“来自世界各地的科学家不会等待许可以进行我们的安装工作，而且由于计划了大量的各种各样的实验，因此我们必须采用多种方法来冷却原子并将其操纵成微重力。我们将把这个设备交给狭窄的专家处理，以进行认真的工作。” 时间表的研究阶段将从今年9月初开始，并将持续至少三年。


CAL原子物理学团队和JPL科学家David Avelin，Ethan Eliott和Jason Williams（从左到右）； 这张照片是在JPL的地球轨道飞行任务操作中心拍摄的，从那里可以远程控制和配置CAL。 后台的屏幕图像显示了直接在ISS上进行的安装。 Avelin，Eliot和Williams的工作在获得世界上第一个Bose-Einstein冷凝物在轨道上起着决定性的作用。 资料来源：NASA / JPL-Caltech

冷原子的安装于2018年5月21日在弗吉尼亚州Wallops Cosmodrome的天鹅座轨道船上进入太空。 CAL是由JPL开发和建造的，项目资金由休斯敦林登·约翰逊航天中心的国际空间站计划与太空探索与物理科学研究与应用（SLPSRA）局进行分配和位于华盛顿州NASA总部的NASA任务运营管理。

有关更多信息，您可以访问项目网站 。