玻色–爱因斯坦凝聚态发射升空，未来可能会有让人震惊的科学发现

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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（BEC）。在 6 分钟的自由落体时间内，BEC 上进行了 100 多次实验。这标志着涉及 BEC 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。更重要的是，它还利用国际空间站的零重力操作 BEC，这将为多个物理领域的重要实验敞开大门。

BEC 是具有整数量子自旋原子的集合体。这意味着这些原子不受泡利不相容原理的约束，而且当冷却到接近绝对零度时，它们可以同时处于系统基态。因此，它们表现为单个宏观量子的状态。1995 年，首个 BEC 被造出，并从此在很多物理领域，包括从量子光学到宇宙学，都证明有实验用途。

图 | 被发射进入太空制造 BEC 的原子芯片（来源：德国航空航天中心）

和很多量子态一样，BEC 非常脆弱，因此它作为重力和磁场等外力传感器很有用。然而，这种脆弱性也意味着 BEC 会因与环境的接触而轻易地被破坏。因此，研究人员非常谨慎地屏蔽了热和电磁场。可是人们仍然无法屏蔽重力：“我们通常用原子干涉仪来测量旋转、加速等惯性力，”汉诺威莱布尼兹大学的丹尼斯·贝克（Dennis Becker）说，“如果有重力就会有很大的偏差。”

每天三次自由落体

正如爱因斯坦著名的等效原理所指出的那样，在自由落体中进行的实验与零重力下进行的实验是局部等效的。在这一理论的基础上，2007 年恩斯特·拉塞尔（Ernst Rasel）和汉诺威莱布尼兹大学等机构的同事筹备并观察了一个容器内的 BEC，它从在莱梅微重力研究中心（ZARM）146 米的落塔中做自由落体。研究人员注意到落塔中的凝聚态比地球上的固定实验室稳定得多。然而，他们每天最多做三次实验，而且凝聚态每次自由落体时间不到 5 秒。因此，科学家一直努力推动在地球轨道中创造 BEC。2018 年 5 月，NASA 将冷原子物理实验室（CAL）发射到国际空间站。

在这项最新的研究中，贝克，拉塞尔和同事们将“原子芯片”加载到火箭上，通过不同的路线进入太空。原子芯片由包含有铷-87 原子的微米级磁光阱构成。芯片被放置在一个 3 米长的舱内，舱内有电子器件、激光器、电源等设备。它搭载 MAIUS-1 火箭，于 2017 年 1 月在瑞典发射到 243km 的高空。当火箭到达最高点时，研究人员立刻对这些原子进行强制蒸发冷却——在仅仅 1.6 秒的时间内成功获得包含有 105 个原子的 BEC。

在随后 6 分钟的自由落体运动中，研究人员在凝聚态上完成了 110 次实验。贝克解释说，这是谨慎的前瞻性规划和 AI 的共同成果。团队对一系列实验进行预编程，不同实验间有一个参数在一直改变。“实验仪器也会做部分实验，但也会在一定程度上对其进行评估，这样就能为下一次实验带来最大价值。”贝克说。

未来可能会有让人震惊的科学发现

研究人员发现他们的结果与地球上类似的实验拟合较好。

“对于‘是否存在没有预测到的新的物理理论？’这一问题，我的回答是没有，”贝克说，“但是这项任务的主要目标是让该技术为未来任务做好准备，那时可能会有重大科学发现。”比如，在未来发射任务中，研究人员想获得可用于测试等效原理的复合凝聚物。

“令人惊奇的是你可以在火箭在做实验，”巴黎冷原子专家雅各布·雷切尔（Jakob Reichel）说。他补充说，这次实验很有说服力，说明技术可以交由工程师做进一步开发。