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科學家在太空中首度發現量子「第五態」

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科技產業資訊室 (iKnow) - 何思穎、張小玫 發表於 2020年7月1日

圖、科學家在太空中首度發現量子「第五態」

2020年6月11日的一項研究顯示,科學家首次在太空中觀察到第五種物質狀態(fifth state of matter),這項空前發現有助於解決量子(quantum)世界中最棘手的難題。
 
玻色–愛因斯坦凝態(BEC)——大約是一個世紀前由Albert Einstein和印度數學家Satyendra Nath Bose預測可能存在的物質,在某些元素的原子冷卻至接近絕對零度時而形成(0 Kelvin,−273.15oC )。
 
當接近絕對零度時,原子成為具有量子特性的單實體,其中每個粒子以物質波(wave of matter)運作。
 
玻色–愛因斯坦凝態(BECs)橫跨了兩個世界,由重力等力量控制的宏觀世界以及由量子力學支配的微觀平面世界。
 
科學家認為,玻色–愛因斯坦凝態蘊含著諸如暗能量(dark energy)等神秘現象的重要線索,被認為是宇宙加速膨脹背後的未知能量。但是,玻色–愛因斯坦凝態是非常脆弱的。與外部世界最輕微的互動都足以使之超過其凝結低限門檻(condensation threshold)。
 
這使得科學家們幾乎不可能在地球上進行研究,因為地心引力會干擾將BEC固定在觀察時所需的磁場。
 
2020年6月11日一組NASA的科學家團隊在國際太空站(適合不受地球限制來操縱粒子),揭露了第一批BEC實驗的結果。加州理工學院的Robert Thompson表示:「微重力(Microgravity)環境下,允許使用微弱力量去操控原子,而不必擔心原子對抗重力。」這項發表在Nature期刊,記錄了地球上和國際太空站上的BEC,兩者之間的驚人差異性。
  • 地球實驗室中的BEC通常在消散前僅能持續幾毫秒。
  • 國際太空站上的BEC則持續了超過一秒鐘,這也提供了團隊研究其特性的絕佳機會。
  • 微重力使原子得以透過較弱的磁場進行操縱,從而加快了其冷卻速度並使成像更清晰。
創造第五種物質狀態,尤其是在太空站的物理範圍內,絕非易事。
 
首先,以雷射將玻色子(boson,即質子數和電子束相當的原子)冷卻至絕對零度以固定其位置。原子移動的速度越慢,玻色子則越能達到冷卻效果。
 
當玻色子散失熱能時,科學家會引入磁場以阻止它們移動,且每個粒子的波都會擴展。此時,將許多玻色子塞入一個微觀「陷阱」,使其波重疊成為單物質波,這種特性又稱為量子簡併(quantum degeneracy)。
 
然而,當磁阱(magnetic trap)被釋放以便科學家研究凝液時,原子開始互相排斥,導致雲層飛散且BEC變得太稀薄而無法偵測。
 
Thompson研究團隊發現,國際太空站上的微重力使他們能夠比在地球更淺的陷阱中從銣(rubidium,一種相似於鉀的軟金屬)建立BEC。這也是為何可延長凝液消散前的研究時間。更重要的是,觀察到原子完全不受外力約束(也不受干擾地)漂浮著。
 
先前的研究試圖模擬失重對BEC的影響,包含使用了自由落體的飛機、火箭甚至是從不同高度掉落的器械物體。這也開啟研究微重力下的BEC之應用機會。應用範圍十分廣泛,從廣義相對論(general relativity)的測試、尋找暗能量和重力波,到太空船導航,以及在月球和其他行星體上尋找地下礦物。(862字;圖1)
 
 
參考資料:
Quantum 'fifth state of matter' observed in space for first time. Japan Today, 2020/6/12.
 
 
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