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國際空間站將成為已知宇宙中最冷的地方

2018-08-29 15:01:56 來源:文化生活網 瀏覽:527我要投稿

據外媒報道,隨著美國宇航局冷原子實驗室(CAL)開始生產超冷原子,國際空間站(ISS)將成為太空中最冷的地方。這些原子被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體,作為微重力實驗的一部分,將能“制造”比太空真空環境溫度低100億倍的溫度,以研究量子力學和物質的基本性質。

目前熱力學的最低溫度是絕對零度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。這是僅存于理論的下限值,約等于零下273攝氏度。在最基本的情況下,溫度是物質中分子運動的量度。如果分子移動非常緩慢,那么物質就是固體。如果它們移動得較快,它就是液體。更快一點則是一種氣體。分子移動得甚至更快后,電子開始剝離,它是等離子體。如果這些分子完全停止,那么它們可以達到絕對零度。但實際上它不可能達到絕對零度。無論從一個分子中汲取多少能量,它仍會略微移動。

這就是為什么過冷氦降低到接近絕對零度時,在正常壓力下仍然是液體。使其他物質凍結的原子間鍵結不起作用,氦變成具有各種奇特性質的超流體。粗略地說,過冷液氦是一種玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)。玻色-愛因斯坦凝聚體在20世紀20年代由SatyendraNathBose和AlbertEinstein首次預測,被稱為第五種物質狀態。在這種狀態下,幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態,形成一個宏觀的量子狀態。

為了將事物簡化為更實用的術語,玻色-愛因斯坦凝聚體為研究量子力學提供了極好的工具。然而,生產這樣的玻色-愛因斯坦凝聚體并不容易。將原子降低到0.00000000001ºK的溫度已經是一個棘手的事情,涉及將原子懸浮在無摩擦的磁性容器中,此外還需經歷了一系列復雜的步驟,包括激光、磁場和蒸發冷卻等。

而新的冷原子實驗室具有處于國際空間站微重力環境中的優勢。CAL已經將銣原子冷卻到絕對零度以上100nanoKelvin。這比空間的平均溫度低,約為零下270ºC

事實上,當CAL完全投入使用時,它將成為已知宇宙中最寒冷的地方-科學家們可以觀察BEC最多10秒,并且每天重復實驗6小時。它不僅是同類產品中第一個安裝在太空中的設備,而且它也是最冷和最緊湊的設備。

“CAL是一種極其復雜的儀器,”噴氣推進實驗室天文和物理理事會首席工程師RobertShotwell表示。“通常情況下,BEC實驗涉及到足夠的設備來填充房間并需要科學家近乎持續的監控,而CAL大小與小型冰箱相當,可以從地球遠程操作。這是一場斗爭,需要付出巨大努力來克服所有目前在空間站上運行的復雜設施所面臨的障礙。”

CAL于2018年5月21日被送往國際空間站。該裝置安裝在國際空間站上的一個美國科學模塊上,目前正處于調試階段,并將于9月開始運行。

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