分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

NASA計畫打造宇宙中最冷的地方—低溫原子實驗室

CAL-logo-fullsize

大家都知道太空中溫度很低。在恆星和星系彼此間的廣袤空間,氣體物質的溫度僅有絕對溫度3K,相當於攝氏零下270度左右。不過,美國航太總署(NASA)科學家現在想要在國際太空站(International Space Station,ISS)中打造一間實驗室,溫度將比3K還低。

NASA下所屬的噴射推進實驗室(JPL)低溫原子實驗室(Cold Atom Lab,CAL)計畫主持人Rob Thompson表示:這個計畫將研究遠低於自然界溫度的物質,目標是絕對溫度100塵度(pico-Kelvin,註:pico,塵,兆分之一)。目前這個原子冷凍庫預定將在2016年發射並裝置在ISS中。如果建置成功,這將是已知宇宙中最冷的地方。

100塵度相當於絕對零度(0K)之上約100億分之1度,在此溫度下,理論上所有原子的熱活動都會停止,一般常說的固態、液態、氣態也不再有意義,反倒使原子彼此間的交互作用創造了一種新的量子物質型態。

量子力學是物理學的分支之一,應用於原子尺度的光和物質。在量子領域中,物質可以幾乎同時出現在兩個地方,物體行為可以是粒子也可以是波動,沒有任何事物是確定無疑的,量子世界依靠的是機率。簡單來說,量子世界和你我熟知的世界大不相同,這也是為何Thompson等人要打造低溫原子實驗室的原因。他們要研究的目標,是所謂的「玻色–愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensates,BEC)」。

1995年時,研究學者發現在銣原子氣體冷卻到接近絕對零度時,會凝聚成一種單一物質波;鈉原子氣體也有同樣的情形,由於當初在1920年代,玻色(atyendra Bose)和愛因斯坦(Albert Einstein)曾就此提出過預言,因此這個新發現被稱為玻色–愛因斯坦凝聚。2001年時,美國麻省理工學院(MIT)Wolfgang Ketterle、美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards & Technology)Eric Cornell和科羅拉多大學(University of Colorado)Carl Wieman因為個別獨立發現這樣的現象而獲得諾貝爾物理獎。

有趣的是,如果製造出兩種BEC並將之放在一起,它們並不會像普通氣體一樣混和,反而會像波動一樣產生干涉現象,因而出現薄而平行的物質層,而層與層之間是則是空無一物的空間。在一個BEC中的原子,與另一個BEC中的原子相加後的結果,居然是….半個原子都沒有!低溫原子實驗室就在幫助科學家瞭解這些這些物體在可能是最低溫狀態的行為。

科學家可在低溫原子實驗室混合超低溫氣體,藉機觀察會發生何事。將不同種類的原子予以混合後,它們會幾乎毫無干擾的懸浮在一起,這讓科學家得以對它們之間極其微弱的交互作用進行更靈敏而精密的測量,或許可藉機發現有趣而新奇的量子現象。

在太空中繞地球公轉的國際太空站由於受到的地球重力不大,在此能將物質降溫到很冷的程度,遠比在地球表面可製造的最低溫還低得多。這是因為根據熱力學原理,當氣體膨脹時會冷卻;這種現象相當常見,例如當按壓噴霧罐讓氣體噴出時,便可感覺到噴霧罐的罐身變冷了。量子氣體冷卻的方式和噴霧罐幾乎相同,只不過是將噴霧罐換成所謂的「磁阱(magnetic trap)」。在國際太空站中,因重力微弱,原子不需要對抗重力的拉扯,使得磁阱也可弄得非常微弱,而微弱的磁阱則讓氣體膨脹而冷卻的程度比地面更甚,從而能製造一個超低溫環境。

不過,低溫原子實驗室建置完成後,科學家們也不確定底會通過這個實驗室而發現什麼,即使湯普森列出了一堆諸如量子感應器(quantum sensors)、物質波干涉儀(matter wave interferometer)、原子雷射(atomic laser)等等可「實際應用」的清單,不過聽起來還是很像科幻小說的情節。所以,事實上,這個低溫原子實驗室將引領科學界進入一個未知的領域。

科學家們期望低溫原子實驗室能成為通往量子世界的敲門磚。如果溫度夠低,或許科學家們可研究聚集成約人髮寬度的原子波,以人眼可以觀察到這些物質波,如此一來,將量子世界提升至巨觀世界後,或許能更容易發現量子世界的秘密。

資料來源:The Coldest Spot in the Known Universe. NASA Science [January 30, 2014]

轉載自網路天文館

關於作者

臺北天文館

臺北天文館

臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!