奇异物质：国际空间站的新成员_风闻

作者：王茸

校对：杨伯顺 王婧彧 张砚斌 张宇辰

美编：崔郁

后台：库特莉亚芙卡、李子琦

奇异物质：国际空间站的新成员

奇异物质（exotic matter）是什么东东？含义听起来有些许科幻的味道。物理学上与普通物质相区别，把具有奇异性质的物质统称为奇异物质，也可以叫做异常物质。不妨继续往下想，哪些物质可以归入奇异物质呢？比如大名鼎鼎的暗物质、打破了已知物理定律的粒子、未经过确认的假想粒子、以及符合已知物理定律的物质极端状态等。

(Credit: NIST/JILA/CU-Boulder)

1995年，科学家在170 nK（1nK=10^-9K）的低温下首次获得玻色-爱因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensates，简称BECs）。所谓玻色-爱因斯坦凝聚，指玻色子（遵循玻色-爱因斯坦统计，自旋量子数为整数的粒子。费米子与其相对，指自旋为半奇数的粒子。）原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。上图为气态铷原子速度的分布，证实了玻色-爱因斯坦凝聚的存在。

科学家最近利用国际空间站的特殊微重力环境，制成了一种物质的奇异形态来研究量子世界。众所周知，我们常见的物质形态有四种：气态、液态、固态和等离子态。上文提到的玻色-爱因斯坦凝聚可以看作是物质的第五态。当这组原子被冷却到接近绝对零度时，他们开始“抱团”，表现得就像是一个大的超原子一样。

玻色-爱因斯坦凝聚横跨了我们对经典物理学统治下的日常世界和量子物理学描述的微观世界。量子物理的世界中，一个粒子可以同时向两个方向旋转，甚至可以同时出现在两个或多个不同的地方。正是这种符合量子行为的特性，让玻色-爱因斯坦凝聚可能为科学家提供通往量子世界的关键线索，甚至可能解决一些关于“万物理论”的谜团， 揭示从最微观尺度到宏观尺度的宇宙运行规律。

(Credit: Emily Edwards, Joint Quantum Institute)

咦？甜甜圈！这是艺术家对于玻色-爱因斯坦凝聚膨胀环的想象图。冷原子物理在宇宙学方面的研究近几年来“如火如荼”。现在，科学家们开始在全球数以百计的实验室中制造玻色-爱因斯坦凝聚。然而，这项研究的拦路虎之一就是重力。这些“超原子”不仅极其脆弱， 获取它们的过程也非常精细，而地球重力会影响这两方面，让了解和研究它们的难度增加。

因此，研究者们设计和建造了冷原子实验室（Cold Atom Lab），它可以在国际空间站轨道的微重力条件下制造出玻色-爱因斯坦凝聚。冷原子实验室能耗非常低，在2018年被送上了国际空间站。和人类在地球上建立的实验室相比，冷原子实验室体积仅有0.4立方米，仅需要510瓦的电力就能运转。此外，科学家们对凝聚的研究分析时间也增加到了在物质状态的俘获结束后一秒以上。你可能认为这个研究时间非常短，可是事实上，科学家在地球上完成同样任务只有百分之一秒的时间窗口。

此外，微重力的条件下，需要用来“俘获”玻色-爱因斯坦凝聚的力更小，这意味着大家可以在更低的温度下就制造出凝聚。而且，这样温度条件下，量子的特性会变得更显著呦。

目前，大家是用铷原子来制造玻色-爱因斯坦凝聚。科学家的目标是加入钾原子来研究两种原子凝聚混合后会发生什么。而且，他们还试图在冷原子实验室里制造球形玻色-爱因斯坦凝聚（spherical Bose-Einstein condensates），这个只能在太空中被创造出来。

欢迎国际空间站的新成员：奇异物质。过去，我们用粒子加速器和天文台来研究自然，未来，冷原子会帮助人类认识更广阔的世界。

参考文献

https://www.space.com/41351-ultracold-atoms-early-universe-expansion.html

https://www.space.com/exotic-matter-quantum-world-on-space-station.html

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