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国际空间站将成为已知宇宙中最冷的地方

2018-08-29 15:01:56 来源:文化生活网 浏览:136我要投稿

据外媒报道,随着美国宇航局冷原子实验室(CAL)开始生产超冷原子,国际空间站(ISS)将成为太空中最冷的地方。这些原子被称为玻色-爱因斯坦凝聚体,作为微重力实验的一部分,将能“制造”比太空真空环境温度低100亿倍的温度,以研究量子力学和物质的基本性质。

目前热力学的最低温度是绝对零度,是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。这是仅存于理论的下限值,约等于零下273摄氏度。在最基本的情况下,温度是物质中分子运动的量度。如果分子移动非常缓慢,那么物质就是固体。如果它们移动得较快,它就是液体。更快一点则是一种气体。分子移动得甚至更快后,电子开始剥离,它是等离子体。如果这些分子完全停止,那么它们可以达到绝对零度。但实际上它不可能达到绝对零度。无论从一个分子中汲取多少能量,它仍会略微移动。

这就是为什么过冷氦降低到接近绝对零度时,在正常压力下仍然是液体。使其他物质冻结的原子间键结不起作用,氦变成具有各种奇特性质的超流体。粗略地说,过冷液氦是一种玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)。玻色-爱因斯坦凝聚体在20世纪20年代由SatyendraNathBose和AlbertEinstein首次预测,被称为第五种物质状态。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。

为了将事物简化为更实用的术语,玻色-爱因斯坦凝聚体为研究量子力学提供了极好的工具。然而,生产这样的玻色-爱因斯坦凝聚体并不容易。将原子降低到0.00000000001ºK的温度已经是一个棘手的事情,涉及将原子悬浮在无摩擦的磁性容器中,此外还需经历了一系列复杂的步骤,包括激光、磁场和蒸发冷却等。

而新的冷原子实验室具有处于国际空间站微重力环境中的优势。CAL已经将铷原子冷却到绝对零度以上100nanoKelvin。这比空间的平均温度低,约为零下270ºC

事实上,当CAL完全投入使用时,它将成为已知宇宙中最寒冷的地方-科学家们可以观察BEC最多10秒,并且每天重复实验6小时。它不仅是同类产品中第一个安装在太空中的设备,而且它也是最冷和最紧凑的设备。

“CAL是一种极其复杂的仪器,”喷气推进实验室天文和物理理事会首席工程师RobertShotwell表示。“通常情况下,BEC实验涉及到足够的设备来填充房间并需要科学家近乎持续的监控,而CAL大小与小型冰箱相当,可以从地球远程操作。这是一场斗争,需要付出巨大努力来克服所有目前在空间站上运行的复杂设施所面临的障碍。”

CAL于2018年5月21日被送往国际空间站。该装置安装在国际空间站上的一个美国科学模块上,目前正处于调试阶段,并将于9月开始运行。

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