引領太空探索新時代！NASA在軌創造「物質第五態」，再刷新宇宙最低溫

近日，《Nature》雜誌發表了一項物理學重磅研究：科學家們在太空中首次創造了「物質的第五態」——玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC），並成功刷新了宇宙中的最低溫度。

去年1月，研究人員將一塊由銣-87原子製成的微型晶元發射到離地面200公里外的地球軌道上。任務很簡單，晶元只需要在這個高度上保持六分鐘的微重力，那個時候，這塊晶元刷新了太空中物質的最冷記錄，但這個記錄很快就被再次打破了。

德國的研究者們設計了110個類似的實驗，其中在瑞典的基魯納啟動的微重力下的物質波干涉測量（MAIUS 1）實驗是其中一個。這些任務旨在研究一種叫做玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）的物質在微重力條件下的特殊狀態。

原子在重力作用下隨著能量而運動，但一旦能量消失，它們就進入了靜止狀態，最終變為一組具有相同特徵的原子或轉為量子態。讓粒子進入靜止狀態的方法，通常是將其束縛在「磁陷阱」中，同時讓激光能在絕佳時機擊中它，這有點像我們在某個恰當的點去擊中正在盪鞦韆的人一樣。一旦粒子靜止，磁陷阱就可以關閉，實驗就可以開始了。由於沒有了重力的影響，研究人員就會有更多的時間進行更複雜的實驗。

MAIUS 1則是第一次嘗試在自由落體中創造出玻色-愛因斯坦凝聚態。

通常，BEC需要一個特殊的設備來冷卻原子。NASA的研究人員想到的解決辦法正是由探測火箭將一塊含有銣原子的微型晶元送到離地面243公里外的高空，在那裡，晶元中的原子能冷卻到-273.1499999…攝氏度。

這比已知的飛鏢星雲的溫度更低，也是我們目前所知的自然界中最寒冷的物體。頃刻之間，銣原子云成為了宇宙中最冷的物質。

在加速返回地球之前，火箭經歷了六分鐘的失重狀態。總的來說，研究小組用各種不同的方法測量重力如何影響捕獲和冷卻過程，以及銣-87原子云在自由落體時會發生怎樣的變化。

為了探測像黑洞和中子星這樣 「怪物」一般的天體在太空中產生的一點波動（引力波），天體物理學家們使用激光將銣原子云分成兩半，然後讓它們重新組合。這些原子有著相同的量子態——包括其波狀的性質，所以當它們合併時，兩者之間出現的任何差異，都表明這種差異是由外部因素引起。

試驗結果表明，BEC可以提供一種全新的方法來檢測這些宇宙中形成的「引力波」，並獲取到不同頻率的電信號。這一發現有可能將在未來顛覆我們認識宇宙的方式。

在地球上，並沒有足夠的時間來確定準確的讀數。但在自由落體中的BEC，至少在理論上，能夠吸收一定程度的引力波。

幾個月前，NASA宣布了他們在國際空間站（ISS）上建立了一個BEC。雖然它不是第一個在低重力環境下創造的BEC，但國際空間站的冷原子實驗的記錄在超冷實驗期間就被它自己打破了。

隨著世界各地的研究人員完成了一個又一個MAIUS實驗，超冷研究將帶領我們進入入太空探索的新時代。

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

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