在太空研究第五類物質

海生

宇航員在國際空間站安裝實驗設備

物質除了固態、液態、氣態、等離子態之外，還存在第五種狀態，叫玻色-愛因斯坦凝聚態，是愛因斯坦和印度物理學家玻色在1920年代早期提出來的。

玻色-愛因斯坦凝聚態是一種宏觀的量子態。我這么說，你可能還意識不到它的奇特性。那下面就解釋一下。

集宏觀與量子于一身

我們知道，所有宏觀物體歸根結底是由微觀粒子組成的，而微觀粒子的行為本質上是量子行為。量子的行為迥異于我們的日常經驗，比如它們既是粒子，又是波;可以既在這里，又在那里;等等。更奇怪的是，一旦大量的粒子聚在一起，形成宏觀物體，量子的怪脾氣就統統消失不見了。所以，一般來說，“宏觀”和“量子”是不可兼俱的。

而玻色-愛因斯坦凝聚體卻能將兩者萃于一身。首先，處于該態的是一大群粒子的集合體，整體（大小不超過一粒細菌）可視作一個宏觀物體;其次，這個宏觀物體卻依然表現出波粒二相等量子特性。物理學家要描述它，也只能借助量子力學，而不是牛頓力學。

實驗室里，要制造出玻色-愛因斯坦凝聚態，條件是相當苛刻的。譬如，先在真空室中用激光給銣和鉀原子減速，然后用磁場把它們囚禁起來，形成一個由很多原子組成的原子團，再把原子團冷卻到幾近絕對零度，才會產生玻色-愛因斯坦凝聚態。但即使千辛萬苦造出來，它們也會因為受地球重力的影響，存在不到1秒，就快速崩塌，根本不給我們任何進一步觀察的機會。

太空中表現不凡

這就導致科學家產生這樣一個設想：如果有一天在太空中制造出玻色-愛因斯坦凝聚態該多好，因為那里幾乎不受重力的影響，它們或許會存在時間久一些。

這個夢想2020年6月終于在國際空間站實現了。美國宇航局的科學家將實驗設備運送到國際空間站，然后遠程操作，制造出了太空中的玻色-愛因斯坦凝聚體。

初步結果表明，凝聚體在太空中的行為與地面有所不同。首先，它們存在了幾秒鐘，其壽命確實比地面長了不少;其次，研究小組發現，大約一半的原子抱成團，但依然還有另一半的原子，不肯投入“集體的懷抱”，而是漂浮在外，形成一個類似光暈的原子云。在地面的實驗中，漂浮的原子云因受地球重力的作用，會很快支撐不住，但在太空中，卻能長久存在。

誘人的應用前景

玻色-愛因斯坦凝聚體在太空中有著誘人的應用前景。不久的將來，研究人員希望利用兩個這樣的凝聚體進行量子水平上的碰撞。他們還想通過監測凝聚體受到的擾動，來探測引力波。因為引力波本質上是時空的擾動，而玻色-愛因斯坦凝聚體對空間擾動非常敏感，稍有擾動，就會崩塌。

再往后，太空中的玻色-愛因斯坦凝聚體還可以用來驗證廣義相對論的等效原理。等效原理說，在同一個引力場中，所有有質量的物體，不論其質量大小，其加速度都是一樣的。也就是伽利略比薩斜塔實驗所要證明的一個事實：兩個質量不等的球，從塔的同一高度同時釋放，它們將同時落到地面。

但是，廣義相對論的等效原理其描述對象是宏觀物體，對于量子物體，它還成立嗎？前面說過，量子的行為很多時候迥異于宏觀物體的行為。比如，對于宏觀物體，我們可以同時精確地測量它的位置和動量，但對于量子物體，這是辦不到的：測量位置越準確，測量動量勢必就越不準確;反之亦然（這就是著名的不確定性原理）。在這種情況下，怎樣證明廣義相對論的等效原理在微觀世界也是成立的？而玻色-愛因斯坦凝聚體，因為一方面它們是比單個微觀粒子要大得多的原子團，另一方面又保持著量子行為，所以成了驗證等效原理的首選量子物體。