加州理工学院喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）在国际空间站上完成了玻色-爱因斯坦凝聚态的制备和观测，《自然》杂志6月11日刊发了这一研究的论文。这项工作获得了许多媒体的盛赞，不少标题甚至带有科幻色彩：“太空首次观测到‘物质的第五态’，或解决量子宇宙中最棘手难题”、“首次在太空中，创造出第五种物质状态”、“人类在太空制造出‘物质第五态’，科学家：有望揭开暗能量之谜！”、“物质的第五状态，需要在宇宙中制造，它是通往未来的大门”……

这项工作是否真如媒体宣传的这样神奇、石破天惊？抛开天花乱坠的各种形容，业内专家对这项工作的具体评价又是怎样的呢？墨子沙龙请教了超冷原子领域的专家，与大家做下分享。

ISS上的BEC：一项重要的技术进步

1924 年，玻色和爱因斯坦在理论上预言了自旋为整数的粒子（即玻色子）在接近绝对零度的环境下会达到一种奇特的状态：系统中的大部分原子都会聚集到能量最低的同一个状态上，因而整个原子团表现得就像一个“原子”，这种宏观量子态被称作“玻色—爱因斯坦凝聚态（BEC）”，常被称作物质的第五种状态。

从理论预言到实验实现，物理学家为之付出了70余年的努力，直到1995年6月，得益于激光冷却和蒸发冷却技术的发展，人们才第一次实验上实现了BEC。BEC因其特性，在量子精密测量、量子模拟等领域具有诱人的发展潜力和应用前景。

冷原子实验室（CAL）

图片来自Nature论文，https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1

BEC实验实现后，科学家们致力于把实验精度带到新的层次，甚至开始考虑重力对玻色—爱因斯坦凝聚的影响。2018年，耗资1亿美元，NASA将“冷原子实验室（Cold Atom Lab，CAL）”发射、安置到国际空间站（ISS）。ISS环绕地球做轨道运行，空间站上的重力极其微弱，是研究微重力环境下玻色—爱因斯坦凝聚的理想场所。

地球和太空中的BEC示意图

图片来自https://www.nature.com/articles/d41586-020-01653-6

冷原子需要磁阱来束缚，地球上的重力限制了磁阱的形状。如上图所示，重力拉低了势阱的一侧，导致原子会从低势阱处发生逃逸，所以为了限制住原子团，人们需要制造一个深阱。而在国际空间站的微重力环境下，使用浅陷阱就能让原子达到BEC。没有引力把原子拉到地面，因此能相对容易地通过释放磁阱让超低温原子云慢慢膨胀，使它们变得更冷。通过原子的绝热膨胀，研究团队获得了亚nK的温度，这是目前地面BEC实验所无法达到的。但实验中，被束缚的4.9×10^4个原子中只有26% 的原子在17nK的温度下实现了BEC。目前地面上的实验可以使10^5数量级原子中的95%达到BEC状态。而BEC状态的原子数以及原子比例对于基于BEC的精密测量至关重要！

地球轨道上的BEC

图片来自Nature论文，https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1

另外，为了对BEC进行测量，必须先把它们从磁阱里释放出来。由于地球重力，原子会很快被拉到地面，只有极端的测量时间，而在空间站的失重条件下，研究人员有长达数千小时的测量时间。这将为实现更灵敏的仪器提供支撑。

空间站上BEC的实现，是一个重要的技术进步。冷原子实验室（CAL）只有洗碗机那么大，在质量、体积和能耗方面需要满足国际空间站的严格要求，而且要足够稳定，连续运行多年而不需维修。

有趣的是，这篇论文3月份被接受，而安排在6月——也就是BEC实现25周年的当月发表，不知这是否是Nature一个巧妙的科学营销呢？

进步源于长期积累

从理论提出到实验实现，用了70余年，再到国际空间站上的BEC，又用了25年时间。任何重大技术突破都不是无中生有、一蹴而就的，微重力条件下的冷原子实验研究也是这样。过去一些年，人们已经进行了很多探索。

需要指出的是，这不是第一个地球轨道上的冷原子实验。2016年9月25日，我国的“天宫二号”空间实验室成功发射，其上搭载了世界首台太空运行的冷原子钟，用以开展前沿科学研究。经过两年在轨运行，验证了空间环境下冷原子钟的运行机制与特性，将人类在太空的时间计量精度提升1-2个数量级，运行3000万年才会误差1秒。

上海光机所研制的空间冷原子钟（图片来自网络）

另外，这也不是第一个微重力环境或太空中的玻色–爱因斯坦凝聚实验，这是第一个地球轨道上的玻色–爱因斯坦凝聚。2017年1月，德国汉诺威大学的Maike Lachmann、Ernst Rasel等利用火箭MAIUS-1首次实现了太空中的玻色–爱因斯坦凝聚。火箭被发射到243公里高空，在自由飞行阶段的12分钟里，以1.6秒为一个周期成功制备出玻色-爱因斯坦凝聚体。2018年10月相关研究以“Space-borne Bose–Einstein condensation for precision interferometry”为题发表在《自然》杂志上。

火箭MAIUS-1上的BEC

图片来自Nature论文，https://doi.org/10.1038/s41586-018-0605-1

正是基于众多科学家们一步步的探索，才有了这次地球轨道上的玻色–爱因斯坦凝聚的重要突破。另外，我们还从超冷原子研究人员处了解到，重力对BEC实验有不利的一面，也有方便BEC实验进行的方面。例如，由于重力拉低了磁阱的一侧，一些温度相对较高、较活跃的原子有更多的机会自己逃逸出去，有利于原子温度的降低。新的技术有时会替代旧的技术，但两者往往也可能是互补的关系，特别是在新技术的初始阶段。科学家们探究影响物理过程的各种原因，屏蔽不利因素，利用“自然”提供给我们的天然资源，正是这样一步一步地从复杂、噪杂的现实环境中逐步看清蕴含于其中的简单秩序，实现技术和认知的进步与跨越。

微重力环境下的BEC实验刚刚开始，通过科学家的努力，其有望在多个领域给人们带来更多可能性，例如人们可以制造出性能更好的原子干涉仪，来对广义相对论基于的等效原理，描述暗能量的各种理论等进行严格的检验。

感谢陈帅教授对本文的帮助

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