姿势分子knowledge 需要在宇宙中制造,它是通往未来的大门,物质的第五状态
我们都知道 , 物质有固液气三态 , 这是常识 。 后来科学家告诉我们:物质还有第四态 , 那就是等离子态 。 等离子态是在高温、高压等情况下导致原子核与电子被迫分离的物质状态 , 比如我们生活中的火焰 , 太阳的核心等等 。
那么 , 你听说过物质还有第五种状态吗?
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传说中物质的第五态 , 就是神秘的玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose–Einsteincondensate , 简称BEC) 。
所谓的凝聚态 , 就是指由大量粒子组成 , 并且粒子之间相互作用比较强的状态 , 液态和固态其实也都算是凝聚态 。 但是 , 还有一些凝聚态非常特别 , 比如超流态、超导态、铁磁态等等都有着非常神奇的物理性质 , 而其中最特别的 , 就是玻色-爱因斯坦凝聚态 。
早在1920年的时候 , 爱因斯坦和玻色两个人就在对光子的统计力学进行研究的时候 , 预言了这个状态 。 他们认为 , 在某种情况下 , 一个物质的所有原子都只有一个相同的量子态 。 很快 , 人们就真的发现了这种状态的物质 , 于是将其命名为玻色-爱因斯坦凝聚态 。
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现在我们知道 , 玻色-爱因斯坦凝聚态的获得并不容易 , 需要把玻色子原子降温到接近绝对零度时才可以实现 。 它并没有达到绝对零度 , 所以粒子没有完全停止运动 。 但它们拥有着惊人的一致性 , 因此科学家们形象地将玻色-爱因斯坦凝聚态比喻为让无数原子“齐声歌唱” 。
如今 , 人类已经多次成功制造出玻色-爱因斯坦凝聚态物质 , 但最近比较有影响的 , 就是NASA在2018年7月时于国际空间站制造了这种宇宙中最寒冷的物质 。 他们在NASA喷气推进实验室的冷原子实验室(ColdAtomLaboratory , 简称CAL)将金属铷降温到约100纳开(仅比绝对零度高0.0000001摄氏度) , 终于获得了这种神奇的状态 , 并且进行了一系列相关的研究和实验 。
研究表明 , 由于温度极低 , 玻色-爱因斯坦凝聚态的原子全都处于最低能态 , 运动速度极慢 , 并且彼此之间距离极近 , 甚至可以发生重叠 , 形成高密度的原子云 。
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(图片说明:萨特延德拉·纳特·玻色)
他们之所以选择在国际空间站进行这些实验 , 是因为玻色-爱因斯坦凝聚态非常敏感 , 在引力作用下非常容易被破坏 , 所以才选择太空的微重力环境 。
科学家并非不能在地球上创造玻色-爱因斯坦凝聚态物质 , 利用激光冷却和磁场等手段也可以实现 。 不过 , 这对于研究它来说 , 也有着很大的困难 。 这是因为 , 冷却过程的最后一步 , 就是将这些物质固定在一个磁阱中 , 然后使其“蒸发”出能量较高的粒子 , 留下那些能量比较低的粒子 。 当磁阱中只剩下低能量粒子的时候 , 它就会关闭 , 给科学家提供宝贵的研究机会 。 不过 , 这个机会持续的时间并不会很长 , 在重力的作用下 , 玻色-爱因斯坦凝聚态只能持续几十毫秒 。
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但是 , 在太空中 , 科学家就不需要面对这种麻烦 。 由于处在微重力状态 , 玻色-爱因斯坦凝聚态也能保持更长的时间 , 甚至可以超过1秒 。 虽然对于我们普通人来说这个时间依然非常短 , 但它已经比在地球上延长了几十倍的时间 , 并且可以给科学家提供大量的信息 。 同时 , 微重力状态允许科学家制造玻色-爱因斯坦凝聚态的设备相对简单一点点 , 也更便于科学家的观察和研究 。
研究人员指出:“我们发现:射频诱导的蒸发冷却在微重力下显示出明显不同的结果 。 我们观察到在轨原子增加了三倍 , 通过施加不同梯度的磁场 , 确认约有一半的原子处于对磁不敏感的状态|2 , 0? , 在磁阱的周围形成了一个环状的云 。 ”
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