科學家在太空中首度發現量子「第五態」
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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