物理学家在国际空间站上创造了异国情调的“第五种物质”。

根据最近发表在“自然”杂志上的一篇论文，加州理工学院和喷气推进实验室的物理学家首次在太空中创造了一种罕见的量子态物质，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。物理学家们通过在国际空间站(ISS)上放置一个迷你冰箱大小的紧凑实验装置来做到这一点。它被称为冷原子实验室(CAL)，也就是宇宙中最凉爽的地方。

BEC是以阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和印度物理学家萨蒂扬德拉·博斯(Satyendra Bose)的名字命名的，后者在20世纪20年代预测了一种可能性，即如果原子堆积得足够紧密，原子的波状性质可能会允许原子扩散和重叠。在常温下，原子的行为就像台球一样，彼此弹开。降低温度会降低它们的速度。如果温度足够低(比绝对零度高出十亿分之一度)，原子也足够密集，不同的物质波将能够彼此感应并相互协调，就像它们是一个大的超原子一样。

1995年，当时在科罗拉多大学JILA设施工作的物理学家埃里克·康奈尔(Eric Cornell)和卡尔·威曼(Carl Wieman)在实验室创造了第一批BEC。使用激光陷阱，他们冷却了大约1000万个铷气体原子；冷却后的原子被磁场固定在原地。但是原子仍然不够冷，不足以形成BEC，所以他们增加了第二个步骤，蒸发冷却，在这个步骤中，一张磁场网合力把最热的原子踢出去，这样较冷的原子就可以更紧密地移动。这个过程的工作原理与你早晨喝咖啡时的蒸发冷却过程非常相似；较热的原子上升到磁阱的顶部，以蒸汽的形式跳出。

到2001年9月，已经有30多个团队重复了这项实验。这一发现开创了物理学的一个全新分支。BEC使科学家能够研究量子物理学中奇怪而狭小的世界，就像他们通过放大镜观察它一样；BEC放大原子的方式与激光放大光子的方式相同。威曼、康奈尔和沃尔夫冈·凯特勒因他们的成就分享了2001年诺贝尔物理学奖。

虽然在地球上制造BEC所需的实验室设备可以很容易地填满一个房间，但JPL的微型CAL只有14立方英尺，只需要大约510瓦的功率就可以运行，这使得它成为国际空间站微重力实验的理想之选。CAL于2018年5月安装在船上。目前的装置使用铷原子来制造BEC，但有计划将钾原子加入混合物中，以探索混合BEC的物理。

这是一项重大成就，因为一旦关闭禁闭陷阱，在太空中产生的BEC比在陆地实验室中的寿命更长，这让物理学家有更多的时间来研究物质的奇异状态--超过一秒，而不是地球上的零点几秒。正如尼尔·帕特尔在“技术评论”上所解释的那样：

要使用BEC进行实验，您需要调低或释放磁阱。拥挤的原子云将会膨胀，这很有用，因为BEC需要保持低温，气体在膨胀时往往会冷却。但是，如果BEC中的原子相距太远，它们的行为就不再像凝聚体了。这就是近地轨道的微重力发挥作用的地方。[喷气推进实验室(JPL)物理学家大卫·阿维林(David Aveline)是最近发表在《自然》(Nature)杂志上的一篇论文的合著者)说，如果你试图增加地球上的体积，重力只会将BEC云中心的原子拉到陷阱的底部，直到它们溢出，扭曲凝析油或将其完全摧毁。

但在微重力下，CAL中的工具可以将原子保持在一起，即使陷阱的体积增加了。这使得凝析油的寿命更长，这反过来又允许科学家们比他们在地球上研究它的时间更长(最初的演示持续了1.118秒，尽管目标是能够探测到长达10秒的云层)。

阿维林告诉“商业内幕”说，我们现在每天都在制作BEC，每天有好几个小时。CAL是完全远程控制的。我们正在地面上的电脑上运行它，确切地说就是在我们的起居室里。

Cal原本应该在需要更换部件之前持续一年左右，但国际空间站的宇航员-特别是克里斯蒂娜·科赫-一直在进行关键的维护，以延长其寿命。到目前为止，卡尔已经运营了整整两年。在最近的改进中，有一种原子干涉仪，它可以使用BEC来测量行星表面的任何重力变化。BEC也可能最终能够探测到轴子，这是一种理论上的冷暗物质粒子，或者被用来寻找暗能量的来源。

过去，我们对自然界内部运作的主要见解来自粒子加速器和天文天文台，加州理工学院的合著者罗伯特·汤普森(Robert Thompson)告诉Space.com。我相信在未来，使用冷原子进行精确测量将发挥越来越重要的作用。