宇宙空间站的物理原理（科学家首次在国际空间站产生第五种物质状态）

本周，Nature 发表的一篇论文报告了在国际空间站上产生的第五种物质状态——玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate）。太空中的微重力环境让科学家得以在这种奇异物质状态中探索基础物理学。

玻色-爱因斯坦凝聚是玻色子原子在冷却到接近绝对零度时所呈现出的一种物质状态。

在这样的低温下，原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态，成为具有量子特性的单一实体，是宏观相对论和微观量子完美统一的理论体系。

100 年前，萨特延德拉·纳特·玻色（ Satyendra Nath Bose ）和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）以玻色关于光子的统计力学研究为基础，对这个状态做了预言。

地球上，首次实现的玻色-爱因斯坦凝聚出现在 1995 年，先后由两支团队完成：科罗拉多大学博尔德分校的埃里克·康奈尔（Eric Cornell）和卡尔·威曼（Carl Wieman）团队在 6 月将铷原子气体冷却至 1.7×10-7 K 实现。

四个月后，麻省理工学院（MIT）的沃尔夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle）制备了含钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚。

此三人也因他们的研究结果共享 2001 年诺贝尔奖物理，颁奖词中描述道：玻色-爱因斯坦凝聚的研究扩展了人们对量子物理学的理解，并引发了新的物理效应的发现。现在全世界已经有数十个实验室实现了8种元素的玻色-爱因斯坦凝聚，相关研究迅速发展，观察到了一系列新的现象，如玻色-爱因斯坦凝聚中的相干性、约瑟夫森效应、蜗旋、超冷费米原子气体、超流体、超导体等研究。而在实际应用方面，玻色-爱因斯坦凝聚在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有光明的应用前景。

尽管理论预言早已有之，现实的实验验证还是等到了关键实验技术升级后才出现。

突破之一是激光冷却和俘获技术，激光束的辐射压通过降低原子的速度来冷却和定位原子。对于这项工作，法国物理学家克劳德·科恩·坦努吉（Claude Cohen-Tannoudji）和美国物理学家史蒂文·朱（Steven Chu）、威廉·菲利普斯（William D. Phillips）共享了1997年的诺贝尔物理学奖。

第二个突破是对磁约束的改进，以便在没有容器的情况下将原子固定在适当的位置。

然而，即使技术已经能够在地球上实现玻色-爱因斯坦凝聚，但是由于重力的影响，科学家对于玻色-爱因斯坦凝聚一直难以实现精准测量。于是，科学家们就围绕创造微重力和无重力环境进行讨论，2018 年由德国物理学家带领的国际科研团队在太空中制造出了玻色–爱因斯坦凝聚态。

在 6 分钟的自由落体时间内，研究团队进行了 100 多次实验。这标志着涉及玻色–爱因斯坦凝聚态的微重力实验有了显著进步，而之前在落塔内进行的自由落体微重力实验只能维持数秒。

但是，科学家们显然对于 6 分钟的实验时间并不满足。

来自加州理工学院的罗伯特·汤普森（Robert Thompson）及同事报告了为了克服这些限制，在国际空间站上启动并成功运行的冷原子实验室（Cold Atom Lab）。

说起来云淡风轻，但是在国际空间站实现高精度的物理实验还是一件十分困难的事情。实验的仪器的要求十分严苛，除了要达到设计的技术参数和足够高的精度，还需要十分坚固，并且所占的空间、质量和消耗功率都要尽可能小。除此之外，仪器可靠性的要求也非常高，一般要求能够运行好几年，要知道在太空中仪器可不好维护。最终，实验设备搭载于 2018 年 5 月 21 日发射的“ OA-9 Antares 230 rocket ”升空到达国际空间站，并于同年 6 月投入使用。

研究成果以论文的形式发表，文中他们描述了在微重力条件下制备的铷原子在低温条件下实现玻色-爱因斯坦凝聚，并测量了它们与在地球上观测到的玻色-爱因斯坦凝聚之间的特性差异。

例如，前者的自由膨胀时间达到了1.118秒，而后者一般只有几十毫秒。这意味着在太空中，对于玻色–爱因斯坦凝聚态的可观测时间得到了延长，可以提高测量的精准度。

此外在太空中呈现玻色-爱因斯坦凝聚的原子数量较地球上增大到了三倍，并且在微重力条件下，原子能被较弱的力捕捉，从而有可能达到较低的温度，此时奇异的量子效应就会变得愈加明显，有利于进一步的量子物理实验探究。