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[探索] 物质的第五状态，需要在宇宙中制造，它是通往未来的大门

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韩佳谕果果妈妈 发表于 2020-6-14 21:20:17 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
我们都知道，物质有固液气三态，这是常识。后来科学家告诉我们：物质还有第四态，那就是等离子态。等离子态是在高温、高压等情况下导致原子核与电子被迫分离的物质状态，比如我们生活中的火焰，太阳的核心等等。
那么，你听说过物质还有第五种状态吗？
物质的第五状态，需要在宇宙中制造，它是通往未来的大门 第1张图片

传说中物质的第五态，就是神秘的玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose–Einstein condensate，简称BEC）。
所谓的凝聚态，就是指由大量粒子组成，并且粒子之间相互作用比较强的状态，液态和固态其实也都算是凝聚态。但是，还有一些凝聚态非常特别，比如超流态、超导态、铁磁态等等都有着非常神奇的物理性质，而其中最特别的，就是玻色-爱因斯坦凝聚态。
早在1920年的时候，爱因斯坦和玻色两个人就在对光子的统计力学进行研究的时候，预言了这个状态。他们认为，在某种情况下，一个物质的所有原子都只有一个相同的量子态。很快，人们就真的发现了这种状态的物质，于是将其命名为玻色-爱因斯坦凝聚态。
物质的第五状态，需要在宇宙中制造，它是通往未来的大门 第2张图片

现在我们知道，玻色-爱因斯坦凝聚态的获得并不容易，需要把玻色子原子降温到接近绝对零度时才可以实现。它并没有达到绝对零度，所以粒子没有完全停止运动。但它们拥有着惊人的一致性，因此科学家们形象地将玻色-爱因斯坦凝聚态比喻为让无数原子“齐声歌唱”。
如今，人类已经多次成功制造出玻色-爱因斯坦凝聚态物质，但最近比较有影响的，就是NASA在2018年7月时于国际空间站制造了这种宇宙中最寒冷的物质。他们在NASA喷气推进实验室的冷原子实验室（Cold Atom Laboratory，简称CAL）将金属铷降温到约100纳开（仅比绝对零度高0.0000001摄氏度），终于获得了这种神奇的状态，并且进行了一系列相关的研究和实验。
研究表明，由于温度极低，玻色-爱因斯坦凝聚态的原子全都处于最低能态，运动速度极慢，并且彼此之间距离极近，甚至可以发生重叠，形成高密度的原子云。
物质的第五状态，需要在宇宙中制造，它是通往未来的大门 第3张图片

（图片说明：萨特延德拉·纳特·玻色）
他们之所以选择在国际空间站进行这些实验，是因为玻色-爱因斯坦凝聚态非常敏感，在引力作用下非常容易被破坏，所以才选择太空的微重力环境。
科学家并非不能在地球上创造玻色-爱因斯坦凝聚态物质，利用激光冷却和磁场等手段也可以实现。不过，这对于研究它来说，也有着很大的困难。这是因为，冷却过程的最后一步，就是将这些物质固定在一个磁阱中，然后使其“蒸发”出能量较高的粒子，留下那些能量比较低的粒子。当磁阱中只剩下低能量粒子的时候，它就会关闭，给科学家提供宝贵的研究机会。不过，这个机会持续的时间并不会很长，在重力的作用下，玻色-爱因斯坦凝聚态只能持续几十毫秒。
物质的第五状态，需要在宇宙中制造，它是通往未来的大门 第4张图片

但是，在太空中，科学家就不需要面对这种麻烦。由于处在微重力状态，玻色-爱因斯坦凝聚态也能保持更长的时间，甚至可以超过1秒。虽然对于我们普通人来说这个时间依然非常短，但它已经比在地球上延长了几十倍的时间，并且可以给科学家提供大量的信息。同时，微重力状态允许科学家制造玻色-爱因斯坦凝聚态的设备相对简单一点点，也更便于科学家的观察和研究。
研究人员指出：“我们发现：射频诱导的蒸发冷却在微重力下显示出明显不同的结果。我们观察到在轨原子增加了三倍，通过施加不同梯度的磁场，确认约有一半的原子处于对磁不敏感的状态|2，0⟩，在磁阱的周围形成了一个环状的云。”
物质的第五状态，需要在宇宙中制造，它是通往未来的大门 第5张图片

如果是在地球上，那么受重力的影响，它们将会从磁阱周围被拖曳走。就像地球上水滴会形成一头尖一头圆的形状，而太空中的水滴就会变成球形一样。得益于太空中的微重力状态，科学家可以更仔细地观察凝结物，从而发现了这团玻色-爱因斯坦凝聚态云周围松散的铷原子环。
玻色-爱因斯坦凝聚态具有着非常特殊的性质，比如在自转的形态下，它甚至可以将光“冻结”，像黑洞一样使射入的光无法逃离，只有在脱离第五状态时光才能重新逃离。同时，我们还可以利用玻色-爱因斯坦凝聚物进行宇宙中引力波的探索，取得更多的天文发现。由于这种状态非常难以获得，所以我们对它的了解还非常有限。
物质的第五状态，需要在宇宙中制造，它是通往未来的大门 第6张图片

（图片说明：国际空间站，科学家在这里的冷原子实验室制造出了玻色-爱因斯坦凝聚物）
我们有理由相信，在玻色-爱因斯坦凝聚态下，可以看到一个非常不一样的世界。也许在这种状态下，许多常态下的物理难题都可以被破解。当我们能够轻松获得玻色-爱因斯坦凝聚物的时候，相信很多科技难题也将被突破。期待。


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